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B978-3-437-42523-3.00001-4

10.1016/B978-3-437-42523-3.00001-4

978-3-437-42523-3

Vom Pharmakon/PharmakaPharmakon zum FertigarzneimittelFertigarzneimittel.

Pharmakokinetik Pharmakodynamik

Pharmakokinetik und Pharmakodynamik: eine Übersicht.

Damit ein Stoff zum Pharmakon wird, muss er mit einem Lebewesen in Kontakt treten, sei es, indem er auf die Körpergrenzflächen gelangt (z.B. beim Schlucken einer Tablette auf das Epithel des Magen-Darm-Kanals), sei es, indem er direkt ins Milieu intérieur gelangt (z.B. durch intramuskuläre Injektion). Man bezeichnet das In-Kontakt-Bringen von Pharmakon und Lebewesen als ApplikationApplikation. Mit der Applikation beginnen Pharmakokinetik und Pharmakodynamik.

Das Pharmakon tritt in der Regel in die Blutbahn ein: ResorptionResorption. Das Blut transportiert es in alle Gewebe: Pharmaka:VerteilungVerteilung. Dabei kann es sich in bestimmten Kompartimenten anreichern: Pharmaka:SpeicherungSpeicherung. Die Summe dieser Vorgänge, durch die das Pharmakon die ihm aufgrund seiner chemisch-physikalischen Eigenschaften zustehenden Räume im Körper erreicht, wird als Pharmaka:InvasionInvasion bezeichnet (blau). Schon während der Invasion wird das Pharmakon auch wieder aus dem Körper beseitigt. Es kann unverändert ausgeschieden werden: ExkretionExkretion. Es kann chemisch verändert werden: BiotransformationBiotransformation. Die Summe der beiden Vorgänge wird als EliminationElimination bezeichnet (grün). Durch alle diese Prozesse wirkt der Organismus auf das Pharmakon; sie alle gehören zur PharmakokinetikPharmakokinetik (blau und grün; Kap. 1.4 und Kap. 1.5).

Mit der Verteilung gelangt das Pharmakon an die Orte seiner Wirkung. In der Regel wirken Pharmaka, indem sie sich primär an spezifische Makromoleküle binden, die die Wirkung vermitteln. Wir nennen diese Makromoleküle RezeptorenRezeptoren. So ist das Makromolekül „β2-Adrenozeptoren:<03B2>2-AdrenozeptorAdrenozeptor“ der Rezeptor, der die bronchospasmolytische Wirkung des Salbutamols vermittelt; das Makromolekül „Hämoglobin:RezeptorfunktionHämoglobin“ ist der Rezeptor, der für die Giftwirkung des Kohlenmonoxids verantwortlich ist. Manchmal wirken Pharmaka auch nicht über Rezeptoren. So löst Mannit Diurese nicht durch Bindung an spezifische Makromoleküle aus, sondern indem es als polarer, tubulär nicht rückresorbierbarer Stoff im Tubuluslumen osmotisch Wasser festhält. Durch alle diese Prozesse wirkt das Pharmakon auf den Organismus; sie alle gehören zur Pharmakodynamik (rot; Kap. 1.2).

Allosterisches Modell der Rezeptor-Pharmakon-Rezeptor-Pharmakon-InteraktionInteraktion.

Links ist die relative Besetzung des inaktiven Rezeptors (R) und des aktiven Rezeptors (R*) (Teil A) durch einen Antagonisten (B für Blocker; Teil B), Agonisten (A; Teil C), partiellen Agonisten (pA; Teil D) und inversen Agonisten (iA; Teil E) dargestellt. Die Länge der Pfeile gibt die Größe der jeweiligen Geschwindigkeitskonstanten wieder. Umrandet und rot hinterlegt ist jeweils der Komplex (in A die Konformation), der (die) im Gleichgewicht überwiegt. In Teil D ist ein partieller Agonist mit der intrinsischen Aktivität 0,5 dargestellt. Rechts ist das relative Verhältnis des inaktiven und aktiven Rezeptors sowohl als Zahl wie auch als Waage dargestellt.

Beziehung zwischen Bindung (B) und Wirkung (W) einer Substanz A bei einer 90-prozentigen RezeptorreserveRezeptorreserve.

Kurve B zeigt die Bindung der Substanz A an einen Rezeptor nach Gleichung 3. Die Dissoziationskonstante (= KD) ist 1 μM. Kurve W gibt die Wirkung von A wieder, wenn die halbmaximale Wirkung bereits bei einer Besetzung von 5% der Rezeptoren erzielt wird (s.a. Gleichung 4). Der EC50-Wert (effective concentration, bei der 50% der Wirkung erreicht werden) ist 50 nM.

Konzentrations-Wirkungs-Beziehung:Agonisten/Antagonisten Konzentrations-Wirkungs- Antagonisten:Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen Agonisten:Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen Beziehungen von zwei Agonisten A und B und einem Antagonisten C.

Teil A: Konzentrations-Wirkungs-Beziehung für Substanzen A und B. EC50, effective concentration, bei der 50% der Wirkung erreicht werden.

Teil B: Inhibition der Wirkung von Substanz A durch Substanz C. IC50, inhibitory inhibitory concentration:AntagonistenAntagonisten:inhibitory concentrationconcentration, bei der 50% der Wirkung von Substanz A aufgehoben sind.

Kompetitiver und nichtkompetitiver Antagonismus.

  • A)

    Substanz D, ein Antagonisten:nichtkompetitiveAntagonisten:kompetitivekompetitiver Antagonist, verschiebt die Konzentrations-Wirkungs-Beziehung für Substanz A parallel. Die Verschiebung hängt von der Konzentration von Substanz D ab. A+0, Konzentrations-Wirkungs-Beziehung:Agonisten/AntagonistenKonzentrations-Wirkungs-Kurve für den Agonisten A in Abwesenheit von D. A+1×D, A+10×D, A+100×D, Konzentrations-Wirkungs-Kurven für den Agonisten A in Anwesenheit des Antagonisten D in Konzentrationen von 1×KD, 10×KD und 100×KD. KD ist die Dissoziationskonstante des Antagonisten D.

  • B)

    Substanz E, ein nichtkompetitiver Antagonist, vermindert die maximale Wirkung von Substanz A. A+0, Konzentrations-Wirkungs-Kurve für den Agonisten A in Abwesenheit von E. A+0,5×E, A+1×E, A+2×E, A+4×E, A+8×E, Konzentrations-Wirkungs-Kurven für den Agonisten A in Anwesenheit des Antagonisten E in Konzentrationen von 0,5×KD, 1×KD, 2×KD, 4×KD und 8×KD. KD ist die Dissoziationskonstante des Antagonisten E.

Arzneimittelwirkungen:unerwünschte Arzneimittelwirkungen:Dosis-Wirkungs-Beziehung Dosis-Wirkungs- Dosis-Wirkungs-Beziehung Beziehungen für erwünschte und unerwünschte Wirkungen einer Substanz A.

Die Ordinate zeigt die Häufigkeit, mit der bei den Versuchstieren (oder Patienten) die gewünschte Wirkung (blaue Kurve) oder der Tod (rote Kurve) auftritt. Die Dosis-Letalitäts-Kurve ist gegenüber der Kurve für die erwünschte Wirkung nur um eine Zehnerpotenz nach rechts verschoben. Der Bereich zwischen ED75 und ED95 ist rosa unterlegt. Eine solche Dosierung (zwischen ED75 und ED95) wäre aber zu gefährlich: in diesem Dosisbereich sterben 23 bis 65% der Behandelten (Schnittpunkte mit der roten Kurve).

Zellfunktionen:rezeptorvermittelte SteuerungRezeptorvermittelte Regulation zellulärer Rezeptor-vermittelte Regulation zellulärer FunktionenFunktionen: eine Übersicht.

Oben links Regulation durch einen G-Protein-gekoppelten G-Protein-gekoppelte RezeptorenRezeptor mit Gαβγ, dem trimeren G-Protein-Komplex, Gα, der G-Protein-α-Untereinheit, Gβγ, der G-Protein-βγ-Untereinheit, und RGS, den Regulatoren der G-Protein-G-Protein-SignaltransduktionSignaltransduktion.

Oben rechts Regulation durch einen Ionenkanäle:ligandengesteuerteligandengesteuerten Kationenkanal, dessen Öffnung die Membran depolarisiert; dadurch wird ein spannungsgesteuerter Calciumkanal geöffnet.

Rechts Regulation durch NO, das die lösliche Guanylylcyclase, GCs, aktiviert.

Links der Weg von einem Steroidrezeptor, SR, zum Zellkern.

Fünf häufige intrazelluläre Signalmoleküle:intrazelluläreIP3 (Inositol-1,4,5-trisphosphat)Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3)\""\Guanosinmonophosphat, cyclisches (cAMP)\""\cGMP (cyclisches Guanosinmonophosphat)\""\cAMP (Adenosin-3‘,5‘-monophosphat)\""\bb\""\Adenosin-3‘,5‘-monophosphat (cAMP)\""\Signalmoleküle.

Synthese und Rezeptoren von cGMP (cyclisches Guanosinmonophosphat):SynthesecGMP (cyclisches Guanosinmonophosphat):RezeptorencGMP.

NO stimuliert die lösliche Guanylylcyclase (GCs) Guanylylzyklase (GC):lösliche, während atrionatriuretisches Peptid (ANP)atrionatriuretisches Peptid (ANP)ANP (atrionatriuretisches Peptid), brain-type natriuretisches Peptid (BNP)brain-type natriuretisches Peptid (BNP)BNP (brain-type natriuretisches Peptid), C-type natriuretisches Peptid (CNP)C-type natriuretisches Peptid (CNP)CNP (C-type natriuretisches Peptid) und Guanylin verschiedene partikuläre (membrangebundene) Guanylylcyclasen (GCp)Guanylylzyklase (GC):partikuläre stimulieren. Funktionen von cGMP:

  • 1.

    cGMP kann die Aktivität mehrerer cAMP hydrolysierender Phosphodiesterasen (PDE)Phosphodiesterasen (PDE):hydrolisierte regulieren und damit über die cAMP-Signalkaskade zelluläre Funktionen steuern.

  • 2.

    In vielen Zellen wird durch cGMP die cGMP-abhängige Proteinkinase I oder II (cGMP-Kinase) aktiviert. Aktivierte cGMP-Kinase I senkt erhöhte Calciumspiegel im glatten Muskel. cGMP moduliert also unter anderem die Konzentration der intrazellulären Signale cAMP und Ca2+.

  • 3.

    Im Riechsystem und in der Retina werden durch cGMP verschiedene cyclic nukleotide-gated (CNG) cyclic nucleotide-gated (CNG-)KanäleCNG-Kanäle (cyclic nucleotide-gated)Kationenkanäle geöffnet. Mittels dieser CNG-Kanäle sehen Sie diese Abbildung.

Signalumwandlung an Signaltransduktion:RezeptorproteinkinasenRezeptorproteinkinasen:SignaltransduktionRezeptorproteinkinasen.

  • A)

    Rezeptortyrosinkinasen:SignaltransduktionRezeptortyrosinkinase: Die Bindung eines Liganden, z.B. epidermal growth factor (EGF), führt zur Rezeptordimerbildung, Aktivierung der Rezeptorkinase und Phosphorylierung von Tyrosinen des Rezeptors selbst und anderer Substrate. Hier sind also Rezeptor und Proteinkinase dasselbe Protein.

  • B)

    Rezeptor-assoziierte TyrosinkinaseTyrosinkinasen:rezeptorassoziierte: Die Bindung eines Liganden, z.B. Erythropoetin, führt zur Rezeptordimerbildung, Assoziierung und Aktivierung einer vom Rezeptor verschiedenen Tyrosinkinase und Phosphorylierung von Tyrosinen des Rezeptors selbst und anderer Substrate. Hier sind also Rezeptor und Proteinkinase separate Proteine.

  • C)

    Rezeptor-Serin/RezeptorthreoninkinasenRezeptorserinkinasenThreoninkinase: Die Bindung eines Liganden, z.B. transforming growth factor β (TGFβ), führt zur Rezeptortetramerbildung (die Dimere der Rezeptoruntereinheiten sind nicht dargestellt; Abb. 1.14), Aktivierung der Rezeptorkinase und Phosphorylierung von Serinen des Rezeptors selbst und anderer Substrate. Hier sind also wie in A Rezeptor und Proteinkinase dasselbe Protein.

Regulation zellulärer FunktionenZellfunktionen:Regulation durch G-G-Proteine:Zellfunktionen, RegulierungProteine.

Aktivierung von Rhodopsin:AktivierungRhodopsin oder einem heptahelikalen Rezeptoren:heptahelikaleRezeptor führt zur Dissoziation eines spezifischen G-Proteins in seine Gα- und Gβγ-Untereinheit. Hierdurch werden zahlreiche zellspezifische Signalkaskaden gesteuert, die sich im Bild von oben nach unten verfolgen lassen.

G-Proteine: Gt, TransducinTransducin; Golf, olfaktorisches G-G-Proteine:olfaktorischeProtein; Gs, stimulierendes G-G-Proteine:stimulierendeProtein; Gi/Go G-Proteine:inhibitorischeG-Proteine:andereinhibitorisches und anderes (other) G-Protein. Gi und Go sind verschiedene G-Proteine, die aber meist den gleichen Effektor stimulieren; dasselbe gilt für Gq und G11 und für G12 und G13.

Signaltransduktion:EffektorenEffektor:SignaltransduktionEffektoren: PDE 6, Phosphodiesterase-Isoenzym 6; AC, Adenylylcyclase; K+-Kanäle, G-Protein-regulierte K+-Kanäle; nCa2+-Kanäle, neuronale spannungsgesteuerte Calciumkanäle; PI3K, Phosphatidylinositol-3-Kinase; PLCβ1–4, Phospholipase-C-Isoenzyme.

Second second messenger:SignaltransduktionMessenger: cGMP, Guanosin-3',5'-monophosphat; cAMP, Adenosin-3',5'-monophosphat; DG, 1,2-Diacylglycerol; IP3, Inositol-1,4,5-trisphosphat.

Nachgeschaltete Strukturen: CNG-Kanal, ein cyclic nukleotide-gated Kationenkanal; PIP2, Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat; PDK1, phosphatidylinositol-dependent protein kinase 1; PKB, Proteinkinase B; PKC, Proteinkinase C; IP3-R, Rezeptor für IP3, ein IP3-gesteuerter intrazellulärer Calciumkanal.

Zellfunktionen:Regulation Ionenkanäle:Zellfunktionen Regulation zellulärer Funktionen durch Ionenkanäle.

Rechts die erregende Signalkaskade vom NikotinrezeptorenNicotinrezeptor über spannungsabhängige Natriumkanäle:spannungsgesteuerteKalziumkanäle:spannungsgesteuerteNatrium- und Calciumkanäle und unter Umständen eine calciuminduzierte Kalziumfreisetzung:kalziuminduzierteCalciumfreisetzung aus dem endo- bzw. sarkoplasmatischen Retikulum (ER/SR) zur Steuerung spezifischer Zellfunktionen. Links drei Hemmmechanismen, nämlich durch Kaliumkanäle:inhibitorischeKaliumkanäle, GABAA- bzw. Glycinrezeptor-Glycinrezeptor-ChloridkanäleChloridkanäle und Gi/Go-gekoppelte Muskarinrezeptoren:G-Protein-gekoppelteMuscarinrezeptoren.

Signaltransduktion:RezeptorproteinkinasenRezeptorproteinkinasen:SignaltransduktionSignalkaskaden von Rezeptorproteinkinasen zum Zellkern Die ersten Schritte wurden in Abb. 1.11 dargestellt. Ihnen schließen sich bis zur Steuerung der Expression wachstums- und differenzierungsspezifischer Gene die hier gezeigten Reaktionen an. Alle bestehen aus Kaskaden von Proteinkinasen, deren Aktivität durch Proteinphosphatasen gegengesteuert wird.

Links: RezeptortyrosinkinasenRezeptortyrosinkinasen. Über Rezeptortyrosinkinasen wirken Insulin:RezeptortyrosinkinasenInsulin und Wachstumsfaktoren:RezeptortyrosinkinasenWachstumsfaktoren wie IGF1 (insulin-like growth factor 1),insulin-like growth factor 1) (IGF1)IGF1 (insulin-like growth factor 1) EGF (epidermal growth factor)epidermal growth factor (EGF)EGF (epidermal growth factor)EGF (epidermal growth factor), VEGF (vascular endothelial growth factor),VEGF (vascular endothelial growth factor),VEGF (vascular endothelial growth factor)vascular endothelial growth factor (VEGF) PDGF (platelet-derived growth factor), platelet-derived growth factor (PDGF)PDGF (platelet-derived growth factor) FGF (fibroblast growth factor),fibroblast growth factor (FGFFGF (fibroblast growth factor) NGF (nerve growth factor) und BDNF (brain-derived neurotrophic factor). Im intrazellulären Teil besitzt das Rezeptorprotein Tyrosinkinaseaktivität (Abb. 1.11). Bindung des Agonisten an den extrazellulären Teil führt zur Dimerisierung der monomeren Rezeptoren oder – beim tetrameren Insulinrezeptor – zur Änderung von dessen quaternären Struktur. Hierdurch kommt es in einem autokatalytischen Prozess zur Phosphorylierung spezifischer Tyrosine des zytoplasmatischen Teils der Rezeptortyrosinkinasen. Die Phosphorylierung steigert einerseits die Tyrosinkinaseaktivität, andererseits wird durch sie eine hoch affine Bindungstasche für andere Signalproteine gebildet, die eine Phosphotyrosin-Erkennungsdomäne besitzen, z.B. die Src-Homologie-2(SH2)-Domäne oder die Phosphotyrosinbindungs(PTB)-Domäne.

Rezeptortyrosinkinasen koppeln an die Ras-Ras-Kaskade:RezeptortyrosinkinasenKaskade (von Rattensarkomvirus). Durch Ras wird die Zellproliferation gesteuert. Bei etwa 30% der menschlichen Tumoren werden aktivierende Mutationen von Ras gefunden. Ras ist ein kleines Guaninnukleotid-bindendes Protein, das an die zytosolische Seite der Plasmamembran assoziiert ist. Seine biologische Aktivität wird durch den Austausch von GDP gegen GTP reguliert. Der Guaninnukleotid-Austauschfaktor Sos (son of Sos (son of sevenless):Guaninnukleotid-AustauschfaktorGuaninnukleotid-Austauschfaktor:Sos (son of sevenless)sevenless, ein Ausdruck aus der Drosophila-Genetik) fördert diesen Austausch, wodurch aktives GTP-GTP-RasRas gebildet wird. Ras wird deaktiviert durch Stimulation seiner GTPase-Aktivität, z.B. durch das GTPase-aktivierende Protein (GAP)GTPase-aktivierendes Protein (GAP) Nf1 (Nf1 (Neurofibromin)Neurofibromin (Nf1)Neurofibromin; Mutation dieses Gens führt zur Neurofibromatose von Recklinghausen), das die Hydrolyse von GTP-Ras zu inaktivem GDP-Ras beschleunigt. Die Aktivierung von Ras durch Rezeptortyrosinkinasen benötigt noch zwei Adapterproteine, SHC und Grb2, die mit ihren SH2-Domänen an verschiedene Phosphotyrosinbindungsplätze der aktivierten Rezeptortyrosinkinase binden.

Im nächsten Schritt bindet GTP-Ras an den Aminoterminus der Serin/Threoninkinase Raf (Ras-activated Ras-activated factor (Raf)factor)Raf (Ras-activated factor). Hierdurch wird die im Carboxyterminus von Raf liegende Kinase aktiviert und MEK (MAP/Erk-phosphorylierende Kinase)MEK (MAP/Erk-phosphorylierende Kinase) phosphoryliert. MEK ist eine zweifach spezifische Proteinkinase, die ERK1/2 (extracellular receptor-stimulated kinase)ERK1/2 (extracellular receptor-stimulated kinase) an Threonin und Tyrosin phosphoryliert und dadurch aktiviert. Aktivierte ERKs sind Serin-/Threoninkinasen, die weitere Proteinkinasen phosphorylieren können oder in den Zellkern wandern und dort Transkriptionsfaktoren, z.B. Elk-1, phosphorylieren. Durch RezeptortyrosinkinasenRezeptortyrosinkinasen werden auch PLCγ und PI3K aktiviert (Abb. 1.15).

Mitte: Rezeptorassoziierte Tyrosinkinasen:rezeptorassoziierteTyrosinkinasen. Über rezeptorassoziierte Tyrosinkinasen wirken viele Zytokine wie Erythropoetin, G-CSF (Granulozyten-Colonie-stimulierender Faktor), Interferon β und γ, IL6 (Interleukin 6) und LIF (Leukämie-inhibierender Faktor).LIF (Leukämie-inhibierender Faktor)Leukämie-inhibierender Faktor (LIF) Bindung des Zytokins an den extrazellulären Teil führt entweder zum Homodimer der zytokinspezifischen Untereinheit oder (IL6, LIF) zu einem Heterodimer, bestehend aus der zytokinspezifischen Untereinheit und einer gemeinsamen Untereinheit GP130 (Glykoprotein mit dem Molekulargewicht 130 kD; so im Bild). Die intrazellulären Teile dieser Rezeptoren besitzen selbst keine Tyrosinkinaseaktivität (Abb. 1.11).

Rezeptorassoziierte Tyrosinkinasen:rezeptorassoziierteTyrosinkinasen koppeln an die Jak/Stat-Tyrosinkinasen:Jak/Stat-KaskadeStat-Kaskade:Tyrosinkinasen, rezeptorassoziierteJak-Kaskade:Tyrosinkinasen, rezeptorassoziierteKaskade (von just another kinase und signal transduction and activation of transcription). Zwar ist der Rezeptor, wie gesagt, nicht selbst enzymatisch aktiv, nach seiner Homo- oder Heterodimerisierung lagert er aber die intrazelluläre Tyrosinkinase Jak an und aktiviert sie. Jak phosphoryliert dann den Rezeptor, an den phosphorylierten Rezeptor bindet Stat, und Stat wird schließlich seinerseits von Jak phosphoryliert. Das phosphorylierte Stat dimerisiert über SH2-Domänen mit einem zweiten Phospho-Stat. Der Komplex wandert in den Kern und stimuliert die Expression von Differenzierungsgenen.

Rechts: Rezeptor-Serin-/RezeptorthreoninkinasenRezeptorserinkinasenThreoninkinasen. Über sie wirken andere Zytokine wie TGFβ (transforming growth factor β) und BMP2 (bone morphogenetic protein 2).BMP2 bone morphogenetic protein 2 (BMP2)BMP2 (bone morphogenetic protein 2).BMP2 (bone morphogenetic protein 2). Es gibt zwei Untereinheittypen des Rezeptors, I und II, die jeweils als Homodimere (I2 und II2) vorliegen. Beide Typen besitzen eine intrazelluläre Serin-/Threoninkinase-Domäne. Bindung des Agonisten an II2 führt zur Aktivierung der II2-Kinase, zur Tetramerbildung (I2II2) mit einem Untereinheitdimer I2 und zur Serinphosphorylierung und dadurch Aktivierung der Kinase von I2.

Rezeptor-Serin-/Threoninkinasen koppeln an die Smad-Smad-Kaskade:Rezeptorserin-/threoninkinasenKaskade (Kunstname; das Wirbeltierhomolog für Sma [C. elegans] und Mad [Drosophila]). Die phosphorylierte Untereinheit I des Tetramers bindet und phosphoryliert das Signalprotein Smad1. Das phosphorylierte Smad1 oligomerisiert mit Smad4. Der Oligomer wandert in den Kern und aktiviert dort spezifische Gene.

Rezeptor-Rezeptor-CrosstalkCrosstalk: Regulation des Phosphatidylinositolstoffwechsels durch einerseits heptahelikale Rezeptoren und andererseits Rezeptortyrosinkinasen.

Die Isoenzyme der Phospholipase PLC (Phospholipase C)C (PLC)Phospholipase C (PLC) werden durch beide Rezeptortypen reguliert (links). Dasselbe gilt für die Isoenzyme der Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K; rechts). Durch beide Rezeptortypen werden deshalb gleiche oder ähnliche intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert. Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat (PI3,4,5P3)Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat (PI3,4,5P3) bleibt im inneren Teil der Membran und bindet dort PKB (Proteinkinase B)PKB (Proteinkinase B), die dann von PDK1 (phosphatidylinositol-dependent protein kinase 1) phosphoryliert und aktiviert wird. Andere Abkürzungen Abb. 1.12.

Rezeptoren:heptahelikale Desensitisierung:Rezeptoren Modell der Desensitisierung eines heptahelikalen Rezeptors.

Als Beispiel wurde der β2-AdrenozeptorAdrenozeptoren:<03B2>2-Adrenozeptor gewählt.

Rezeptoren:PhosphorylierungPhosphorylierung durch die Effektorkinase des β2-Adrenozeptors, also die cAMP-Kinase (PKA). Durch die Phosphorylierung nimmt die Affinität des Rezeptors für Gs ab und die Affinität für das inhibitorische Gi zu. Gαi hemmt dann die Adenylylcyclase (Kreis am mittleren β2-Rezeptor). β-Arrestin ist nicht beteiligt.

Phosphorylierung durch eine spezifische „G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase“ (GRK)G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase (GRK), die β-Adrenozeptor-Kinase. Diese Phosphorylierung (an anderen Stellen als durch die cAMP-Kinase) erhöht die Affinität zu β-Arrestin.

Intrazelluläre SequestrierungRezeptoren:Sequestrierung. β-Arrestin <03B2>-Arrestinbindet an ClathrinClathrin und führt dadurch zur Endozytose des Rezeptorkomplexes. Bei niedrigem pH im Vesikel wird der Rezeptor dephosphoryliert, resensitisiert und in die Plasmamembran reinkorporiert.

Methoden der Blockierung unerwünschter Genexpression.

A: Wirkung von Antisense-OligonukleotideAntisense-Oligonukleotiden. Einzelsträngige DNA-Antisense-Oligonukleotide können in Zellen an die mRNA eines Gens binden und die Expression dieses Gens verhindern. Dabei werden verschiedene Mechanismen diskutiert. Einmal führt die Bildung des Komplexes aus DNA-Antisense-Oligonukleotid und der mRNA zu der Aktivierung der RNase H, die spezifisch die mRNA in einem RNA-DNA-Hybrid zerschneidet. Dadurch wird diese mRNA zerstört und kann nicht in Protein umgeschrieben werden. Andererseits kann die Bindung der DNA-Antisense-Oligonukleotide an die mRNA auch direkt die Initiation und Elongation der Translation hemmen und so die Proteinsynthese unterdrücken.

B: Ribozyme. RibozymeRibozyme sind katalytisch aktive RNA-Moleküle, die z.B. bei Pflanzenviroiden gefunden werden. Man kann aber auch Ribozyme herstellen, die an eine spezifische menschliche mRNA binden und diese zerschneiden. Auf diese Weise kann die Expression des entsprechenden Gens gehemmt werden. Die Abbildung zeigt ein sogenanntes „Hammerhead“-(Hammerkopf)-Ribozym, eine von mehreren bekannten Ribozymstrukturen.

C: Wirkung von siRNAs – RNAi. Bei der RNA-Interferenz (RNAi)RNA-Interferenz (RNAi) wird die Genexpression durch Zerstörung der mRNA gehemmt. Dazu werden kleine (21–23 Basenpaare) doppelsträngige sogenannte siRNAs („small interfering small interfering RNA (siRNA)RNA“)siRNA (small interfering RNA) eingesetzt. Diese siRNAs werden entweder chemisch synthetisiert und dann in die Zellen transfiziert oder in Zellen selbst nach Transfektion mit siRNA-Vektoren erzeugt. Die siRNAs binden in den Zellen an einen Enzymkomplex, der RISC („RNA-induced silencing complex“)RISC (RNA-induced silencing complex) genannt wird und für die Funktion der endogen von Zellen exprimierten microRNAmicroRNAs eine zentrale Rolle spielt (siehe „Antagomire als Antisense-Oligonukleotide gegen microRNAs“). In diesem RISC-Komplex wird die siRNA entwunden. Der so aktivierte RISC-Komplex wird dann durch spezifische Basenpaarbindung zwischen siRNA und Ziel-mRNA an diese herangeführt, um dann die Ziel-mRNA endonukleolytisch zu spalten. Dadurch wird die Translation der Ziel-mRNA und die Expression des Gens verhindert.

In-vitro-GentherapieEx-vivo-GentherapieDie zwei Strategien der somatischen Gentherapie. Bei Ex-vivo-(In-vitro-)Gentherapie werden die Zielzellen (Tumorzellen, Fibroblasten, hämatopoetische Stammzellen) aus dem Organismus isoliert, in Zellkultur mit dem gewünschten Gen transduziert und anschließend in den Organismus reimplantiert. Bei der In-vivo-Behandlung wird das gesunde Gen direkt in die von der Krankheit betroffenen Körperzellen (z.B. Lungen-, Leberzellen) eingeführt. Dazu sind Vektorsysteme notwendig, die spezifisch nur die zu treffenden Zellen mit dem therapeutischen Gen transduzieren. Diese zellspezifische Gentherapie kann noch durch zellspezifische Promotoren unterstützt werden.

Herstellung rekombinanter Retroviren:rekombinanterekombinante Retroviren (rRV)Retroviren (rRV) für die Gentherapie.

A: Das therapeutische Gen wird in ein Plasmid eingefügt, das folgende Sequenzen enthält: die Sequenz für die Integration der retroviralen DNA in die chromosomale DNA der Zielzelle (LTR-Sequenz, „long terminal repeat“), ein retrovirales Verpackungsignal und einen starker Promotor zur Transkription des Gens.

B: Dieses Plasmid wird dann in eine „Verpackungszelle“ transfiziert, die Proteine liefern, die zur Herstellung des rekombinanten Retrovirus notwendig sind.

C: In diesen Zellen kommt es zur Synthese einer rekombinanten Retrovirus(RV)-RNA, die dann durch die reverse Transkriptase in eine doppelsträngige rekombinante Retrovirus-DNA umgewandelt wird (siehe B). Nach Integration dieser rekombinanten DNA-Moleküle in das Genom der Verpackungszelle werden rekombinante Retroviren gebildet, die aus dem Überstand der Zellen geerntet werden können.

D: Diese rekombinanten Retroviren können Zielzellen dann mit dem therapeutischen Gen transduzieren. Dabei integriert sich die rekombinante Retrovirus-DNA in das Genom der Zielzelle und es kommt nur zur Expression des gewünschten Proteins. Da die zur Virusherstellung notwendigen retroviralen Proteine fehlen, können in der Zielzelle keine Retroviren entstehen.

severe combined immunodeficiency (SCID):Gentransfer SCID (severe combined immunodeficiency):Gentransfer Adenosindeaminase (ADA):Mangel/Defekt Ex-vivo-Gentransduktion von Leukozyten am Beispiel des Adenosin-Deaminase(ADA)-Gens.

Einem Kind mit „severe combined immunodeficiency“ (SCID), bedingt durch einen Defekt im ADA-Gen (ADA- SCID), wird Blut entnommen. Daraus werden Leukozyten isoliert, mit einem retroviralen Vektor, der das intakte ADA-Gen enthält, infiziert, in Kultur expandiert und anschließend dem Patienten reinfundiert.

Die Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke.Wie gut ein Arzneistoff passiv durch die Blut-Hirn-Schranke permeiert, hängt von seiner Lipophilie ab. Manche Stoffe, die vom Gehirn benötigt werden, wie Glucose oder Aminosäuren, wären zu polar, um in ausreichendem Maß die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen. Sie werden daher über aktiven Transport aufgenommen (rot). Strukturverwandte Arzneistoffe können ebenfalls transportiert werden. Dies erklärt, warum die Aminosäure L-L-Dopa:Blut-Hirn-SchrankeDopa die Blut-Hirn-Blut-Hirn-SchrankeSchranke besser permeiert als das lipophilere Dopamin

(nach Oldendorf: Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 147, 813; 1974).

Zellmembranpermeabilität:MechanismenMöglichkeiten des Durchtritts von Substanzen durch eine biologische Membran.

pH-Wert:Zellmembranpermeabilität pH-abhängige Verteilung eines ionisierbaren Pharmakons („Ionenfallen- Ionenfallen-Prinzip Prinzip“).

Eine Säure (pKa = 3; z.B. Salicylsäure) verteilt sich zwischen zwei Flüssigkeitsräumen mit pH = 7 (z.B. Magenschleimhautzelle) und pH = 3 (z.B. Magensaft). Die beiden Räume sind durch eine Lipidmembran (Zellmembran der Schleimhautzelle) getrennt. Bei pH = 7 ist die Säure zu 99,99% ionisiert, bei pH = 3 nur zu 50%. Im Gleichgewicht häuft sich die Substanz in der „Magenzelle“ massiv an. Das Beispiel setzt eine völlige Impermeabilität der Lipidmembran für Ionen voraus. In der Realität dürfte der Effekt nicht ganz so ausgeprägt sein.

a) intravenöse InjektionIntravenöse und b) intraarterielle intraarterielle InjektionInjektion eines Pharmakons.

Bei a) wird das Pharmakon durch das zuströmende venöse Blut sehr schnell verdünnt. Bei b) gelangt das Pharmakon in hoher, u.U. endothelschädigender Konzentration in die arteriellen Endgefäße.

Resorption:aus dem VerdauungstraktResorbierende Fläche in den Abschnitten des Verdauungstrakts.

Magenentleerung und Resorption

Der Anstieg der Plasmakonzentration nach oraler Verabreichung von Paracetamol erfolgt parallel zur Magenentleerung (oberes Bild). Wird die Magenentleerung verlangsamt, wie hier durch Pethidin (unteres Bild), so verzögert sich auch die Resorption von Paracetamol

(nach Nimmo et al.: Br. J. Clin. Pharmacol. 2, 509; 1975).

Relative Größe der Verteilungsräume in % des Körpergewichts.

Setzt man die Konzentration eines Pharmakons, das sich nur im Plasmaraum verteilt, (c1) = 100%, so ergibt sich für die Verteilung der gleichen Dosis auf Plasmaraum:relative GrößePlasmaraum + interstitieller interstitieller Raum:relative GrößeRaum eine Konzentration (c2) von 25%. Sie erniedrigt sich auf ca. 8% (c3), wenn die gleiche Dosis auf den ganzen Körperwasserraum verteilt wird.

Durchblutung verschiedener Organe sowie Anteil dieser Organe am Körpergewicht.

Organdurchblutung:Verteilung der PharmakaOrgandurchblutung in ml × min–1 x kg–1 (schwarze Zahlen). Der prozentuale Anteil am Herzminutenvolumen ist daneben in Klammern aufgeführt. Die roten Zahlen neben den Organbezeichnungen geben den Anteil des Organs am Körpergewicht wieder. Die grauen Flächen veranschaulichen die relativen Größenverhältnisse. Die Werte wurden aus stark voneinander abweichenden Literaturangaben gemittelt und können daher nur ein ungefähres Bild der Größenordnungen vermitteln.

Die Darstellung zeigt, dass im großen Kreislauf über 60% des Herzzeitvolumens durch gut durchblutete Organe wie Herzmuskel, Nieren, Gehirn, Milz, Leber und Magen-Darm-Trakt fließen, obwohl diese Organe zusammen nur 6% des Körpergewichts ausmachen. Dagegen fließen durch die weniger gut durchbluteten Organe Haut, Skelettmuskel, Fett- und Bindegewebe, die über 70% des Körpergewichts ausmachen, nur 23% des Herzzeitvolumens.

Schema des Phase-I- und Phase-II-Arzneistoffmetabolismus.

Phase-I-MetabolismusPhase-II-MetabolismusIn einer durch Cytochrom-P450-Enzyme katalysierten Oxidationsreaktion wird in den Benzolring eines lipophilen Arzneistoffs eine Hydroxygruppe eingeführt. Die Einführung dieser Hydroxygruppe ist Voraussetzung für die anschließende Konjugation mit Glucuronsäure. Aufgrund der hohen Polarität kann der glucuronidierte Metabolit im Gegensatz zur Ausgangssubstanz und zum unkonjugierten phenolischen Metaboliten renal sehr gut eliminiert werden. UGT = Uridindiphosphat-Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferase (UGT)UGT (Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferase)Glucuronosyltransferase

Bedeutung des Metabolismus für die Elimination von Arzneistoffen am Beispiel des Perhexilins.

PerhexilinPerhexilin wird normalerweise hydroxyliert und anschließend glucuronidiert. Seine Halbwertszeit beträgt dann 30–50 Stunden (links). Im Falle von Patienten, die einen angeborenen Defekt im Metabolismus des Perhexilins aufweisen, stellt die renale Ausscheidung der unveränderten Substanz den einzigen Eliminationsweg dar. Die Halbwertszeit beträgt dann zwischen 800 und 1.000 Stunden (rechts).

Schematischer Ablauf der mikrosomalen Monooxygenasereaktionen:mikrosomaleCytochrom-P450-katalysierte ReaktionenMonooxygenasereaktionen.

Mikrosomen sind subzelluläre Partikel, die aus dem glatten endoplasmatischen Retikulum bei der Aufarbeitung von Gewebe und anschließender Zentrifugation entstehen. Der Reaktionszyklus besteht aus folgenden Schritten:

  • 1)

    Cytochrom P450 im oxidierten Zustand bindet das lipophile Substrat.

  • 2)

    Das Flavoprotein NADPH-Cytochrom-P450-Oxidoreduktase (POR)NADPH-Cytochrom-P450-Oxidoreduktase (POR) überträgt ein einzelnes Elektron auf das Häm-Fe3+, das in Fe2+ übergeht. Dieser Häm-Eisen-Komplex bindet molekularen Sauerstoff als 6. Liganden.

  • 3)

    Nach Übertragung eines zweiten Elektrons durch die NADPH-P450-Oxidoreduktase oder auch durch Cytochrom b5 entstehen aktivierter Sauerstoff und H2O. Der aktivierte Sauerstoff wird auf das Substrat übertragen.

  • 4)

    Als Reaktionsprodukte entstehen ein Molekül Wasser und das oxidierte Substratmolekül; dabei geht Fe2+ wieder in Fe3+ über, und ein neuer Zyklus kann beginnen.

FAD = Flavin-Adenin-Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid)Dinukleotid; FMN = Flavin-FMN (Flavin-Mononukleotid)Flavin-Mononukleotid (FMN)Mononukleotid

Systematik der menschlichen Cytochrom-P450-Cytochrom-P450-Enzyme:SystematikEnzyme.

Arzneistoffe werden durch Enzyme der Genfamilien 1, 2 und 3 metabolisiert. Für einige therapeutisch häufig eingesetzte Arzneistoffe sind die für ihren Abbau relevanten Isoformen aufgeführt. Die Enzyme der anderen Genfamilien katalysieren die Biotransformation endogener Substrate.

Multiplizität der am Phase-I-Metabolismus eines Arzneistoffs beteiligten CYP-Isoenzyme, dargestellt am Beispiel des Verapamil:MetabolismusVerapamils.

Oxidation von Ethanol:OxidationEthanol zu AcetaldehydAcetaldehyd.

Die Oxidation erfolgt überwiegend in der Leber, und zwar zu 95% durch Alkoholdehydrogenase (ADH) Alkoholdehydrogenasen der Subfamilie I.

Oxidation von Acetaldehyd, dem kurzlebigen Intermediärmetaboliten beim Abbau von Ethanol, zu Essigsäure mittels der Aldehyddehydrogenase (ALDH)Aldehyddehydrogenase (ALDH 2).

FMO (Flavin-Monooxygenase)Flavin-Monooxygenase (FMO)N-Oxidation von Imipramin:N-OxidationImipramin durch flavinhaltige Monooxygenasen (FMO).

Reduktive Abspaltung von Fluorid aus Halothan unter hypoxischen Bedingungen in der Leber.

Hydrolyse von Procain:HydrolyseProcain durch Plasmaesterasen.

Hydratisierung von Carbamazepin-Carbamazepin-Epoxid:HydratisierungEpoxid durch Epoxidhydrolase (EH):mikrosomalemikrosomale Epoxidhydrolase (mEH).

Glucuronidierung von Paracetamol:GlukuronidierungParacetamol mittels aktivierter Glucuronsäure:aktivierte (UDPGA)Glucuronsäure (UDPGA).

Epoxidierung und anschließende Konjugation eines aromatischen Kohlenwasserstoffs (Naphthalin:MetabolisierungNaphthalin) mit Glutathion (GSH) und Abbau des Konjugats zur Mercaptursäure.

N-Acetylierung von Isoniazid:N-AcetylierungIsoniazid in einer Acetyl-CoA-abhängigen Reaktion (N-Acetyltransferase II, NAT N-Acetyltransferase I (NAT I)N-Acetyltransferase II (NAT II)II).

Konjugation mit Sulfat am Beispiel von Isoprenalin:Konjugtion mit SulfatIsoprenalin.

Glycinkonjugation von Benzoesäure:GlycinkonjugationBenzoesäure zu HippursäureHippursäure.

Einfluss der Hemmung des CYP-3A4-Metabolismus auf die Bioverfügbarkeit und die Plasmakonzentration von SimvastatinSimvastatin.

Nahezu komplette CYP 3A4:HemmungHemmung (ca. 95%) von CYP 3A4 steigert die orale Bioverfügbarkeit von 5 auf 75%.

Nieren:Exkretion Exkretion:renale Die für die renale Exkretion von Arzneistoffen relevanten Prozesse.

GSH: Glutathion:renale ExkretionGlutathion; OA: organisches Anion; OC+: organisches Kation; α-KG: α-Ketoglutarat; OAT1/2/3/4: organic anion organic anion transporter (OAT)transporter; OCT2/3 und OCTN1/2: organic cation organic cation transporter (OCT)transporter (novel); MRP1/2/3/4/6: multidrug resistance-associated multidrug resistance-associated protein s. MRPMRP (multidrug resistance-associated protein)proteins, MDR1: multidrug resistance protein 1.

Basolaterale und kanalikuläre Transporterproteine in den Hepatozyten:TransporterproteineHepatozyten.

OC+: organisches Kation; OA: organisches Anion; BA: Gallensäure; OCT1: organic cation transporter 1; OATP: organic anion transporting polypeptide; OST: organic solute transporters; NTCP: Na+-taurocholate cotransporting polypeptide; OAT2: organic anion transporter 2; BCRP: breast cancer resistance protein; BSEP: bile salt export pump; MDR1: multidrug resistance protein 1; MRP2: multidrug resistance-associated protein 2; MRP4: multidrug resistance-associated protein 4; MRP6: multidrug resistance-associated protein 6.

Sekretion:intestinaleDarm:SekretionIntestinale Sekretion von Arzneistoffen (dunkelroter gefüllter Kreis) und Metaboliten (hellroter gefüllter Kreis) durch den P-Glykoprotein (Pgp)MDR1:DarmmukosaP-Glykoprotein-(MDR1)-Transporter.

(1) Diffusion des Arzneistoffs in die Enterozyten:TransporterproteineEnterozyten und Übertritt ins Blut. (2) Sekretion des Arzneistoffs in das Darmlumen. (3) Metabolisierung des Arzneistoffs, wobei (4) ein Teil der Metaboliten in das Blut übertritt und (5) ein Teil durch P-Glykoprotein in das Darmlumen sezerniert wird.

Pharmakogenetik:Mechanismen Pharmakogenetische Mechanismen variabler Arzneistoffwirkungen.

  • A)

    Metabolismus/Metabolisierung:genetische VariantenMetabolismus: Varianten im Cytochrom-P450-Gen führen zu verminderter oder fehlender Synthese des Enzyms in der Leber. Erhalten Patienten, die Träger dieser Cytochrom-P450-Enzyme:polymorpheMutation sind, die gleiche Dosis wie Patienten mit dem Wildtyp, kommt es zur Kumulation des Arzneistoffs und damit zum Auftreten von Nebenwirkungen.

  • B)

    Transport: An der Aufnahme in den und der Ausscheidung aus dem Organismus sowie dem Übertritt von Arzneistoffen aus dem Blut in das Gewebe sind Transporterproteine:genetische VariantenTransportproteine beteiligt. P-Glykoprotein (Pgp), das Produkt des ABCB1-Gens, ist Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Varianten, die die Funktion oder die Expression von Pgp herabsetzen, führen zu vermehrtem Übertritt des Arzneistoffs in das Gehirn. Trotz gleicher Plasmakonzentration ist bei einer Mutation die Konzentration am Wirkort höher und kann damit zu einer verstärkten Wirkung führen.

  • C)

    Wirkung: Die Rezeptoren:polymorpheArzneistoffwirkung wird i.d.R. durch Rezeptoren vermittelt. Varianten des Rezeptors führen dazu, dass sich im Vergleich zum Wildtyp trotz vergleichbarer Konzentration am Rezeptor die Wirkungen deutlich unterscheiden.

Genetischer Polymorphismus des CYP-2D6-Gens und Konsequenzen für davon betroffene Arzneistoffe.

Cytochrom-P450-2D6-PolymorphismusErhalten Patienten, wie in der Abbildung dargestellt, die gleiche Dosis eines Arzneistoffs, der überwiegend durch CYP 2D6 abgebaut wird, so resultieren daraus in Abhängigkeit vom Genotyp extreme Unterschiede in den Plasmakonzentrationen. Bei ca. 7% der Patienten, die homozygot für zwei nichtfunktionelle Allele sind, wird kein funktionsfähiges Enzym gebildet. Daraus resultiert ein extrem langsamer Metabolismus (oberste Zeile). Etwa 5–10% der Patienten haben einen eingeschränkten Metabolismus. Der Grund dafür ist, dass diese Patienten homozygot für Varianten mit herabgesetzter Enzymfunktion oder heterozygot für diese Varianten in Kombination mit einem nichtfunktionellen Allel für CYP 2D6 sind (zweite Zeile von oben). 80% der Patienten sind normale Metabolisierer (dritte Zeile von oben). Etwa 2–3% der Patienten haben einen extrem schnellen Metabolismus aufgrund von Genamplifikationen. Unter Standarddosierung finden sich bei diesen Patienten kaum messbare Plasmakonzentrationen mit einer fehlenden therapeutischen Wirksamkeit des Arzneistoffs (unterste Zeile).

Plasmakonzentration und Wirkung von Phenytoin:WirkungPhenytoin:PlasmakonzentrationPhenytoin.

Dargestellt sind die bei einer Patientin mit Epilepsie:PhenytoinEpilepsie gemessenen Plasmakonzentrationen. Die Markierungen (rot) auf der Abszisse zeigen, wann Krampfanfälle auftraten. Wegen mangelnder Compliance (unzuverlässige Einnahme) lagen während der ersten 12 Monate die Konzentrationen im Plasma nur zwischen 5 und 8 μg/ml. In dieser Zeit traten immer wieder Anfälle auf. Nach 12 Monaten wurde die Patientin ins Krankenhaus aufgenommen und die Einnahme überwacht, worauf antikonvulsiv wirksame Konzentrationen (> 10 μg/ml) erreicht wurden. Sobald die Plasmakonzentration wieder unter den therapeutisch wirksamen Bereich abfiel, traten auch wieder Krampfanfälle auf

(nach Lund: Läkartidningen 68, Suppl. p. 73; 1971).

BioverfügbarkeitBioverfügbarkeit und Elimination:präsystemischepräsystemische Elimination.

Bei der enteralen Resorption muss ein Pharmakon zunächst die Darmschleimhaut passieren. Bereits hier kann es zu Metaboliten umgewandelt werden. Der unveränderte Rest kann bei der Leberpassage durch Metabolisierung und biliäre Exkretion weiter vermindert werden. Nur der ins systemische Blut gelangende Anteil ist „bioverfügbar“ und kann wirksam werden.

Bioverfügbarkeit und „Fläche unter der Kurve“.

Bioverfügbarkeit:area under the curve (AUC)AUC (area under the curve):BioverfügbarkeitDie Abbildung zeigt den Verlauf der Konzentration eines Pharmakons im Plasma nach Anwendung gleicher Dosen i.v. und p.o. Bei vollständiger Bioverfügbarkeit sind die beiden Flächen unter den Kurven (AUC) gleich groß.

Pharmakokinetische Parameter zur Quantifizierung der Bioverfügbarkeit. Die Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve (area under the curve, AUC) ist proportional zu der in den systemischen Kreislauf gelangten Dosis F x D. Es gilt die Beziehung:

AUC = {{F × D/CL}}

wobei F die absolute Bioverfügbarkeit und CL die totale Clearance ist (vgl. Abb. 1.56). Die absolute Bioverfügbarkeit F ergibt sich durch den Vergleich mit der nach i.v. Gabe gemessenen AUCiv als

F = {{AUCpo/AUCiv}} × {{Div/Dpo}}

Da AUC auch von der Clearance abhängt, sollte bei Bioverfügbarkeitsstudien nach Möglichkeit ein intraindividueller Vergleich erfolgen. Zur weiteren Charakterisierung der Konzentrations-Zeit-Kurven dienen die maximale Arzneistoffkonzentration (cmax) und der zugehörige Zeitpunkt (tmax). Als bioäquivalent gelten zwei Arzneizubereitungen, wenn sie sich hinsichtlich AUC, tmax und cmax nicht wesentlich unterscheiden.

Abhängigkeit der Bioverfügbarkeit eines Pharmakons vom Ausmaß des First-Pass-Effekts.

Wird ein Pharmakon, das zu 100% aus dem Darm resorbiert wird, während der Leberpassage durch einen First-Pass-Effekt zu 90% aus dem Pfortaderblut extrahiert, so beträgt seine Bioverfügbarkeit 10% (oben). Nimmt die Extraktion geringfügig von 90 auf 80% ab, so steigt die Bioverfügbarkeit auf 20%, also das Doppelte (unten). Bei Pharmaka, die einem ausgeprägten First-Pass-Effekt unterliegen, können bereits kleine Änderungen der Extraktion zu erheblichen Änderungen der Bioverfügbarkeit führen.

Berechnung des Verteilungsvolumens aus der Dosis und der Konzentration.

Dosierung:VerteilungsvolumenVergleichen wir den Organismus mit einem Gefäß, das ein bestimmtes, nicht bekanntes Flüssigkeitsvolumen enthält, kann dieses Volumen ermittelt werden, indem eine bestimmte Farbstoffmenge (D) in das Gefäß eingebracht wird. Die Konzentration des Farbstoffs wird in einem abgemessenen Volumen photometrisch bestimmt. Da die eingebrachte Farbstoffmenge (D) und die Farbstoffkonzentration (C) bekannt sind, lässt sich das im Gefäß vorhandene Volumen als Quotient von D und C errechnen. Im vorliegenden Modellfall I beträgt V = 1 L. Werden aber, wie in II dargestellt, 90% der in das Gefäß eingebrachten Farbstoffmenge an die Gefäßwand absorbiert, so beträgt die Konzentration des Farbstoffs nur noch 2 mg/L, obwohl wie in I die gleiche Farbstoffmenge eingebracht wurde. Aus dem Quotienten D/C ergibt sich ein Volumen von 10 L. Da dieses Volumen das tatsächliche Volumen um ein Vielfaches übersteigt, bezeichnet man es als ein scheinbares Volumen. Analog hat ein Arzneistoff, der an bestimmte Gewebestrukturen bindet, ein Verteilungsvolumen, das ein Mehrfaches des Körpervolumens beträgt.

ClearanAUC (area under the curve) AUC (area under the curve):Clearance Zusammenhang zwischen Clearance und AUC.

Dargestellt ist der zeitliche Verlauf der Plasmakonzentration eines Pharmakons. Sofern das Pharmakon nach einer Kinetik 1. Ordnung (s.u.) eliminiert wird, ist die pro Zeiteinheit eliminierte Menge proportional zur jeweiligen Plasmakonzentration, der Proportionalitätsfaktor ist die Clearance CL. Das Produkt cx Δ/t entspricht der Fläche des roten Rechtecks. Die insgesamt eliminierte Menge lässt sich durch Aufsummieren aller Rechtecke berechnen. Lässt man die Rechtecke immer kleiner werden, entspricht diese Summe immer genauer der Gesamtfläche unter der Kurve (AUC). Wenn das Pharmakon vollständig eliminiert ist, ist die eliminierte gleich der ins systemische Blut gelangten Menge, die somit ebenfalls der AUC entspricht.

Kinetik 1./0. Ordnung:Elimination Elimination:Kinetik 1./0. Ordnung Elimination nach einer Kinetik 1. Ordnung.

  • A)

    Lineare Darstellung

  • B)

    halblogarithmische Darstellung der gleichen Werte.

Plasmakonzentrationen von Verapamil:PlasmakonzentrationenVerapamil nach intravenöser Injektion von 10 mg.

Bei der gewählten halblogarithmischen Darstellung lassen sich deutlich zwei Prozesse unterscheiden

(nach Hamann et al.: Clin. Pharmacokin. 9, 26; 1984).

Pharmakokinetik:Modelle Pharmakokinetische Modelle.

  • a)

    Ein-Kompartimentmodell:pharmakokinetisches Offenes 1-Kompartiment-Modell – intravenöse Injektion:

    Bei diesem einfachsten pharmakokinetischen Modell wird der gesamte Körper als ein Verteilungsraum angesehen. Die injizierte Dosis (D) verteilt sich unmittelbar im gesamten Verteilungsvolumen (V). Das Kompartiment ist „offen“, d.h., das Pharmakon kann daraus eliminiert werden. Die Elimination erfolgt nach einer Kinetik 1. Ordnung mit der Geschwindigkeitskonstante ke. Für den Zeitverlauf der Konzentration ergibt sich die angegebene Exponentialfunktion, wobei c0 = D/V die Anfangskonzentration zur Zeit t = 0 ist.

  • b)

    Offenes 1-Kompartiment-Modell – intravenöse Infusion:

    Bei einer Dauerinfusion gelangt pro Zeiteinheit eine konstante Pharmakonmenge in das Kompartiment (Kinetik 0. Ordnung). Sofern die Elimination nach einer Kinetik 1. Ordnung erfolgt, stellt sich eine Steady-State-Konzentration (css) ein. Die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung hängt von der Eliminationskonstante und damit der Halbwertszeit ab.

  • c)

    Offenes 1-Kompartiment-Modell – extravasale Applikation:

    Bei extravasaler Applikation (z.B. p.o., i.m., s.c.) ist die Pharmakonkonzentration die Resultante der gleichzeitig ablaufenden Resorption und Elimination. Sofern auch die Resorption einer Kinetik 1. Ordnung folgt (Geschwindigkeitskonstante ka), lässt sich der Konzentrationsverlauf durch die angegebene Funktion (Bateman-Funktion) beschreiben. Die Annahme einer Invasionskinetik 1. Ordnung stellt oft eine Vereinfachung dar. Insbesondere bei Retardzubereitungen und Depotpräparaten ist diese Voraussetzung nicht gegeben.

  • d)

    Mehr-Kompartimentmodell:pharmakokinetischesDoch Mehr-Kompartiment-Modelle:

    Aus dem „zentralen“ Kompartiment (gut durchblutete Organe) verteilt sich das Pharmakon mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf ein oder mehrere „periphere“ Kompartimente. Sowohl die Elimination aus dem zentralen Kompartiment wie die Hin- und Rückverteilung zwischen den Kompartimenten gehorcht einer Kinetik 1. Ordnung. Für das hier dargestellte 2-Kompartiment-Modell lässt sich dann der Konzentrationsverlauf im zentralen Kompartiment durch eine biexponentielle Gleichung beschreiben. Aus den Konstanten A, B, α, β lassen sich der Konzentrationsverlauf im (fiktiven) peripheren Kompartiment, die Volumina von zentralem und peripherem Kompartiment und die Geschwindigkeitskonstanten („Mikrokonstanten“) berechnen.

Fluktuation der Plasmakonzentration:VerteilungsvolumenPlasmakonzentration in Abhängigkeit vom Verteilungsvolumen:PlasmakonzentrationVerteilungsvolumen.

Die rote Kurve stellt einen Ausschnitt aus dem Konzentrationsverlauf eines Pharmakons im Plasma eines Patienten dar, bei dem eine Dauertherapie durchgeführt wird. Die blaue Kurve zeigt den Konzentrationsverlauf bei einem Patienten mit kleinerem Verteilungsvolumen. Hier ist die Konzentration bei gleicher Dosis zunächst höher. Da ein kleineres Verteilungsvolumen:HalbwertszeitVerteilungsvolumen aber eine kürzere Halbwertszeit:VerteilungsvolumenHalbwertszeit:DosierungHalbwertszeit bedeutet, fallen die Plasmakonzentrationen bei diesem Patienten rascher ab. Die AUC und die mittlere Konzentration im Dosierungsintervall sind bei beiden Patienten die gleichen, allerdings sind die „Ausschläge“ der Plasmakonzentration zwischen Maximum und Minimum bei dem Patienten mit dem kleineren Verteilungsvolumen größer. Im Beispiel ist vorausgesetzt, dass die Clearance bei beiden Patienten gleich ist.

Arzneimittel(therapie):Fluktuation Fluktuation der Plasmakonzentration in Abhängigkeit von Einzeldosis und Dosierungsintervall.

Plasmakonzentration:FluktuationFluktuation:PlasmakonzentrationUm die Schwankungen der Arzneistoffkonzentration im Plasma zu vermindern, kann es sinnvoll sein, das Dosierungsschema zu ändern. Wird z.B. eine Erhaltungsdosis von 600 mg/Tag in Einzeldosen von 200 mg alle 8 h verabreicht (blaue Linie), so sind die Schwankungen der Plasmakonzentration größer, als wenn Einzeldosen von 100 mg alle 4 h (= 600 mg/Tag) zugeführt werden (rote Linie). Die mittlere Konzentration ist in beiden Fällen gleich und entspricht der Konzentration, die sich bei einer Dauerinfusion von 25 mg/h (= 600 mg/Tag) ergeben würde (gelbe Linie).

Plasma-Plasma-KreatininCreatinin und Creatinin-Kreatinin-ClearanceClearance.

Zur Beurteilung der Nierenfunktion wird oft nur die einfache Bestimmung von Creatinin im Plasma durchgeführt; Werte bis zu 1,2 mg/dL Creatinin gelten als normal. Wegen des hyperbolischen Zusammenhangs zwischen Plasma-Creatinin und Clearance ergibt sich ein „creatininblinder Bereich“, in dem das Plasma-Creatinin noch wenig erhöht ist, die Nierenfunktion indes schon erheblich eingeschränkt sein kann

(nach Kolenda, K.-D./Jost, St./Kokenge, F., in: Digitalistherapie bei Herzinsuffizienz: Kochsiek, K./Rietbrock, N. [Hrsg.], S. 47–53. München 1981).

Theophyllin- Theophyllin:Clearance Clearance und - Theophyllin:Erhaltungsdosis Erhaltungsdosis in verschiedenen Lebensaltern.

Kinder:ClearanceClearanbei KindernKinder haben – bezogen auf das Körpergewicht – meist eine höhere Arzneistoffclearance als Erwachsene und benötigen daher eine entsprechend höhere Erhaltungsdosis pro kg Körpergewicht. Dies beobachtet man nicht nur bei Pharmaka, die – wie Theophyllin – vorwiegend durch Biotransformation in der Leber eliminiert werden, sondern auch bei renal eliminierten Pharmaka. Früh- und Neugeborene haben dagegen eine niedrige Arzneistoffclearance, da die Eliminationsfunktionen bei der Geburt noch nicht ausgereift sind (vgl. Abb. 1.64).

(nach Seyberth, in Dölle et al. [Hrsg.], Grundlagen der Arzneimitteltherapie, BI-Wissenschaftsverlag 1986)

Reifung der Biotransformation und der renalen Exkretion beim Neugeborene:renale ExkretionNeugeborene:BiotransformationBiotransformation:bei NeugeborenenNeugeboreneExkretion:renalen.

Die schematische Darstellung kann nur grobe Anhaltspunkte geben. Insbesondere bei den verschiedenen Enzymen des Cytochroms Cytochrom-P450-Enzyme:bei NeugeborenenP450 bestehen erhebliche Unterschiede in der Dauer bis zur vollen Ausreifung

(nach Gladtke: Europ. J. Paediat. 131, 85; 1979; Heimann: Dtsch. Apoth. Ztg. 122, 893; 1982).

Alter und Alter:NierenfunktionNierenfunktionNierenfunktion:Veränderungen.

Dargestellt ist die altersbedingte Abnahme der glomerulären glomeruläre Filtration:altersbedingte AbnahmeFiltration am Beispiel der Creatinin-Kreatinin-Clearanaltersbedingte AbnahmeClearance

(nach Bjornsson: Clin. Pharmacokin. 4, 200; 1979). Bei individuellen Patienten können sich erhebliche Abweichungen von den dargestellten Mittelwerten ergeben!

Die Teilgebiete der pharmazeutische Technologiepharmazeutischen Technologie

Retardpräparate Plasmakonzentration eines retardierten Arzneistoffs im Vergleich zu intermittierender Zufuhr in Einzeldosen.

Einzeldosen, in diesem Beispiel alle 8 Stunden (blaue Kurve), führen zu starken „Ausschlägen“ der Plasmakonzentration, die nahe an der therapeutischen Unwirksamkeit (cmin) oder dem Auftreten von unerwünschten Nebenwirkungen (ctox) liegen können. Retard- oder Depot-Depot-ArzneiformenArzneiformen setzen den Arzneistoff langsamer und mit relativ konstanter Geschwindigkeit über längere Zeit frei (grüne Kurve). Wenn sich dadurch der Wirkungseintritt bei cmin verzögert, ist es sinnvoll, eine zusätzliche schnell freisetzbare Initialdosis zu applizieren (gelbe Kurve). Die resultierende Plasmakonzentration (rote Kurve) zeigt einen schnellen Wirkungseintritt und anschließend einen relativ konstanten Plasmaspiegel.

Thalidomid-Thalidomid:EmbryopathieEmbryopathie.

Historische Abbildung (aus W. Lenz, K. Knapp: DMW 87, 1232–1242; 1962). Links: Amelie:Thalidomid-bedingteAmelie; vom 44. bis 50. Tag post menstruationem täglich 100 mg Thalidomid. Tod mit 1½ Monaten bei Infekt mit Hyperthermie. Rechts: Phokomelie:Thalidomid-bedingtePhokomelie; am 36. Tag post menstruationem wurden Thalidomid-Tabletten zu 100 mg verschrieben.

Meilensteine der Arzneimittelentwicklung.

Zulassung von Arzneimitteln Zulassungsverfahren:zentrales Arzneimittel(therapie):Zulassung Meilensteine des zentralen Verfahrens zur Zulassung eines Arzneimittels.

Vor der Antragstellung kann der pharmazeutische Unternehmer Kontakt mit der EMA aufnehmen, um wissenschaftliche Beratung zur Arzneimittelentwicklung und Hinweise zum administrativen Ablauf zu erhalten. In der ersten Evaluierungsphase wird ein Bericht vom Rapporteur/Co-Rapporteur erstellt und die offenen Fragen werden dem Antragsteller übermittelt. Nach Beantwortung der Fragen beginnt die zweite Evaluierungsphase. Am Ende gibt das CHMP seine endgültige Empfehlung, die von der EMA an die Europäische Kommission weitergeleitet wird. Diese verleiht auf Empfehlung des CHMP die Zulassung zum Markt. Das zentrale Verfahren dauert von der Antragstellung bis zur Zulassung insgesamt 277 Tage (ohne Verfahrensstopp zur Beantwortung der Fragen).

„Wenn ... hier eine Stelle ist im physischen menschlichen Leibe, die sich durch ihre Kräfte auflehnt gegen das ganze Hereinwirken der Ätherkräfte, so daß die Ätherkräfte sich gewissersmaßen stauen und haltmachen und dadurch das, was wie eine Neubildung aussieht, eben entsteht, so ist es die Mistel, welche dieser Einsackung, die sich da gebildet hat, entgegenwirkt. Sie zieht gewissermaßen das wiederum an die Stelle hin, wo es nicht hinwill. (...) Nun ist die Mistel zweifellos dasjenige, durch dessen Potenzierung man erreichen wird müssen das Ersetzen des Chirurgenmessers bei den Geschwulstbildungen. Es wird sich nur darum handeln, daß man namentlich die Mistelfrucht, aber durchaus im Zusammenhang mit anderen Kräften der Mistel selber, in der richtigen Weise wird behandeln können, um sie zu Heilmitteln zu machen. (...) Aber in dem Zusammenwirken, sagen wir, zum Beispiel der Mistel einfach vom Apfelbaum und dem Verreiben etwa mit Silbersalzen würde sich etwas ergeben, was in hohem Grade allen Unterleibskrebsen entgegenwirken könnte.“

(Aus R. Steiner: Geisteswissenschaft und Medizin. Dornach 1961.)

Rezeptorvermittelte und nicht rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen: eine AuswahlZellmembranpermeabilität:SteigerungYohimbin:rezeptorvermittelte WirkungXimelagatran:rezeptorvermittelte WirkungXanthinoxidaseVitamin-K-Epoxid-ReduktaseVitamin K:rezeptorvermittelte WirkungVitamin-D-Rezeptorvirale DNA-Polymerase:RezeptorfunktionVeratridin:rezeptorvermittelte WirkungVerapamil:rezeptorvermittelte WirkungVEGF (vascular endothelial growth factor):rezeptorvermittelte WirkungVEGF-Rezeptor (flt-1)Valsartan:rezeptorvermittelte WirkungValaciclovir:rezeptorvermittelte WirkungTrimethoprim:rezeptorvermittelte WirkungTrijodthyronin (T3):rezeptorvermittelte WirkungTrastuzumab:rezeptorvermittelte WirkungTranskriptionsregulatorenTranexamsäure:rezeptorvermittelte WirkungTirofiban:rezeptorvermittelte WirkungTiagabin:rezeptorvermittelte WirkungThyroxinrezeptorThymidylatsynthaseThrombin:RezeptorfunktionTheophyllin:rezeptorvermittelte WirkungTetrodotoxin:rezeptorvermittelte WirkungTestosteronrezeptorTestosteron-5<03B1>-ReduktaseTestosteron:rezeptorvermittelte WirkungTerfenadin:rezeptorvermittelte WirkungTerbutalin:rezeptorvermittelte WirkungTaurin:rezeptorvermittelte WirkungTamoxifen:rezeptorvermittelte WirkungTacrolimus:rezeptorvermittelte WirkungTacrin:rezeptorvermittelte WirkungT3 s. TrijodthyroninSuramin:rezeptorvermittelte WirkungSumatriptan:rezeptorvermittelte WirkungSulfonylharnstoffe:rezeptorvermittelte WirkungStrychnin:rezeptorvermittelte WirkungStrukturproteineStickstoffmonoxid (NO):rezeptorvermittelte WirkungSpironolacton:rezeptorvermittelte WirkungSerotonin (5-Hydroxytryptamin)Selegilin:rezeptorvermittelte WirkungSchwermetallantidote:WirkprinzipSäureneutralisationSäuren:konzentrierteSarin:rezeptorvermittelte WirkungRosiglitazon:rezeptorvermittelte WirkungRho-GTPase:RezeptorfunktionRezeptor-vermittelte ArzneimittelwirkungenRezeptor-vermittelte ArzneimittelwirkungenRezeptorproteinkinasenRetinoidrezeptorRetinoide:rezeptorvermittelte WirkungResorption:Hemmung durch AdsorptionRanitidin:rezeptorvermittelte WirkungRaloxifen:rezeptorvermittelte WirkungPyrimethamin:rezeptorvermittelte WirkungPyrethroide:rezeptorvermittelte WirkungProteindenaturierung:als WirkprinzipPropranolol:rezeptorvermittelte WirkungProgesteronrezeptorProbenecid:rezeptorvermittelte WirkungPrazosin:rezeptorvermittelte WirkungPPAR (Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor):PPAR<03B3>PPAR (Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor):PPAR<03B1>Plasminogen:RezeptorfunktionPlasmin:RezeptorfunktionPirenzepin:rezeptorvermittelte WirkungPioglitazon:rezeptorvermittelte WirkungPhosphodiesterase (PDE)Philadelphia-ChromosomPhenylephrin:rezeptorvermittelte WirkungPeroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor (PPAR)PeptidoglykansynthetasenPenicilline:rezeptorvermittelte Wirkungp-Dimethylaminophenol:rezeptorvermittelte WirkungPDGF-RezeptorPDGF (platelet-derived growth factor):rezeptorvermittelte WirkungPaclitaxel:rezeptorvermittelte WirkungP2Y-RezeptorP2X-RezeptorP1-RezeptorOsmose:als WirkprinzipOpioidrezeptorOndansetron:rezeptorvermittelte WirkungOmeprazol:rezeptorvermittelte WirkungNystatin:WirkprinzipNoradrenalinNitrate:rezeptorvermittelte WirkungNikotinrezeptorenNifedipin:rezeptorvermittelte WirkungNicotin:rezeptorvermittelte WirkungNicht rezeptorvermittelte ArzneimittelwirkungenNeurotransmitter-TransporterNeurotransmitterrezeptoren:heptahelikaleNeostigmin:rezeptorvermittelte WirkungNatriumkanäleNatrium-Kalium-Chlorid-SymporterNatrium-Kalium-ATPaseNatrium-Chlorid-SymporterNaloxon:rezeptorvermittelte WirkungMuskarinrezeptorenMuscarin:rezeptorvermittelte WirkungmRNA:RezeptorfunktionMorphin:rezeptorvermittelte WirkungMonoaminoxidaseMoclobemid:rezeptorvermittelte WirkungMinoxidil:rezeptorvermittelte WirkungMineralokortikoidrezeptorMikrotubuliMifepriston:rezeptorvermittelte WirkungMibefradil:rezeptorvermittelte WirkungMetoprolol:rezeptorvermittelte WirkungMethotrexat:rezeptorvermittelte WirkungLovastatin:rezeptorvermittelte WirkungLösungsvermittlerLosartan:rezeptorvermittelte WirkungLisinopril:rezeptorvermittelte WirkungLidocain:rezeptorvermittelte WirkungLaxanzien:WirkprinzipLaugen:konzentrierteLanosteroldemethylaseLamifiban:rezeptorvermittelte WirkungKokain:rezeptorvermittelte WirkungKohlenmonoxid (CO):rezeptorvermittelte WirkungKalziumkanäleKalziumkanäle:T-TypKalziumkanäle:L-TypIsoprenalin:rezeptorvermittelte WirkungIonenkanäleInterleukin-Rezeptor 1aInterleukin-1:rezeptorvermittelte WirkungInsulinrezeptorInsulin:rezeptorvermittelte WirkungImatinib:rezeptorvermittelte WirkungHydrochlorothiazid:rezeptorvermittelte WirkungHormonrezeptorenHMG-CoA-ReduktaseH+-K+-ATPaseHistaminrezeptorHistamin:rezeptorvermittelte WirkungHirudin:rezeptorvermittelte WirkungHERG2Heparin:rezeptorvermittelte WirkungHCN s. BlausäureHarnsäureionenaustauscherHämoglobin:RezeptorfunktionHaloperidol:rezeptorvermittelte WirkungGyraseGuvacin:rezeptorvermittelte WirkungGuanylylzyklase (GC)Glycinrezeptor-ChloridkanäleGlycin:rezeptorvermittelte WirkungGlukokortikoidrezeptorGlibenclamid:rezeptorvermittelte WirkungGewebeplasminogenaktivator (t-PA):rezeptorvermittelte WirkungGestagene:rezeptorvermittelte WirkungGeftinib:rezeptorvermittelte WirkungGABA (<03B3>-Aminobuttersäure)GABA (<03B3>-Aminobuttersäure):rezeptorvermittelte WirkungGABAA-Cl-KanalFurosemid:rezeptorvermittelte WirkungFlutamid:rezeptorvermittelte WirkungFluoxetin:rezeptorvermittelte WirkungFlumazenil:rezeptorvermittelte WirkungFludrocortison:rezeptorvermittelte WirkungFinasterid:rezeptorvermittelte WirkungFibrinogenrezeptor (GP IIb/GP IIIa)Fibrate:rezeptorvermittelte WirkungExozytose-Proteine:RezeptorfunktionEstrogenrezeptorEstrogene:rezeptorvermittelte WirkungErythropoetin:rezeptorvermittelte WirkungEnzymrezeptorenElektrolyttransporterEGF-RezeptorEGF (epidermal growth factor):rezeptorvermittelte WirkungEGF (epidermal growth factor):rezeptorvermittelte WirkungDoxorubicin:rezeptorvermittelte WirkungDopaminrezeptorDopaminDopamin:rezeptorvermittelte WirkungDNA:RezeptorfunktionDiuretika:WirkprinzipDiltiazem:rezeptorvermittelte WirkungDihydrofolatreduktasenDigitalisglykoside:rezeptorvermittelte WirkungDiclofenac:rezeptorvermittelte WirkungDiazoxid:rezeptorvermittelte WirkungDiazepam:rezeptorvermittelte WirkungDexamethason:rezeptorvermittelte WirkungDesipramin:rezeptorvermittelte WirkungDanazol:rezeptorvermittelte WirkungCytochromoxidaseCyclophosphamid:rezeptorvermittelte WirkungCyclophilineCurare:rezeptorvermittelte WirkungCumarine:rezeptorvermittelte WirkungColestyramin:WirkprinzipColchicin:rezeptorvermittelte WirkungCoffein:rezeptorvermittelte WirkungClopidogrel:rezeptorvermittelte WirkungClonidin:rezeptorvermittelte WirkungCiprofloxacin:rezeptorvermittelte WirkungCiclosporin:rezeptorvermittelte WirkungCholinesteraseChinidin:rezeptorvermittelte WirkungChenodesoxycholsäure:WirkprinzipChelatbildungCarboanhydraseCaptopril:rezeptorvermittelte WirkungCalcitriol:rezeptorvermittelte WirkungCalcineurinBuspiron:rezeptorvermittelte WirkungBromocriptin:rezeptorvermittelte WirkungBlausäure (HCN):rezeptorvermittelte WirkungBicucullin:rezeptorvermittelte WirkungBenzodiazepine:BindungsstellenBenzbromaron:rezeptorvermittelte WirkungBavacizumab:rezeptorvermittelte WirkungAzole:rezeptorvermittelte WirkungAtropin:rezeptorvermittelte WirkungATP-KaliumkanäleATP (Adenosintriphosphat):rezeptorvermittelte WirkungArzneimittelwirkungen:rezeptorvermittelteArzneimittelwirkungen:nicht rezeptorvermittelteArzneimittelwirkungen:nicht rezeptorvermittelteAprotinin:rezeptorvermittelte WirkungAnti-VEGFAntithrombin III:RezeptorfunktionAntisense-Oligonukleotide:rezeptorvermittelte WirkungAntikörper:rezeptorvermittelte WirkungAntikonvulsiva:rezeptorvermittelte WirkungAntigene:RezeptorfunktionAntazida:WirkprinzipAnionentransporter:tubulärerAngiotensin-Konversions-Enzym s. ACEAngiotensin II:rezeptorvermittelte WirkungAngiotensin IAnakinra:rezeptorvermittelte WirkungAmphotericin B:WirkprinzipAllopurinol:rezeptorvermittelte WirkungAktivkohle:WirkprinzipAdrenozeptoren:<03B2>-AdrenozeptorAdrenozeptoren:<03B1>-AdrenozeptorAdenosin:rezeptorvermittelte WirkungActinAconitin:rezeptorvermittelte WirkungAciclovir:rezeptorvermittelte WirkungAcetylsalicylsäure:rezeptorvermittelte WirkungAcetazolamid:rezeptorvermittelte WirkungACE (Angiotensin-Konversions-Enzym)Abciximab:rezeptorvermittelte Wirkung<03B3>-Carboxylase<03B1>-Bungarotoxin:rezeptorvermittelte Wirkung5-HT-Rezeptoren:5-HT3-Rezeptor5-HT-Rezeptoren:5-HT1D-Rezeptor5-HT-Rezeptoren:5-HT1A-Rezeptor5-Fluorouracil:rezeptorvermittelte WirkungZyklooxygenaseZytokine:rezeptorvermittelte WirkungClostridium botulinum:ToxineClostridium botulinum:NeurotoxineClostridium botulinum:Toxine

Tab. 1.1
A: Rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen
Rezeptortyp Rezeptor Pharmaka
Agonist Antagonist oder Blocker
Enzyme Cholinesterase Tacrin, Neostigmin, Sarin
Monoaminoxidase Moclobemid, Selegilin
Phosphodiesterasen Coffein, Theophyllin, Amrinon, Sildenafil
lösliche Guanylylcyclase NO, Nitrate, Riociguat
Cyclooxygenase Acetylsalicylsäure, Diclofenac
Na+-K+-ATPase Digitalisglykoside
H+-K+-ATPase Omeprazol
ACE (Angiotensin-Konversions-Enzym) Captopril, Lisinopril
HMG-CoA-Reduktase Lovastatin
Xanthinoxidase Allopurinol
Carboanhydrase Acetazolamid
Vitamin-K-Epoxid-Reduktase Vitamin K1 Cumarine
Testosteron-5α-Reduktase Finasterid
Dihydrofolatreduktasen
  • Bakterien

  • Malariaplasmodien

  • Homo sapiens

TrimethoprimPyrimethaminMethotrexat
Thymidylatsynthase 5-Fluorouracil → FdUMP2
Peptidoglycansynthetasen Penicilline
Gyrase Ciprofloxacin
Lanosteroldemethylase Azole
Cyclophiline – Calcineurin Ciclosporin, Tacrolimus
Cytochromoxidase HCN (Blausäure)
Heptahelikale Neurotransmitter- und Hormonrezeptoren Muscarinrezeptor Muscarin Atropin, Pirenzepin
β-Adrenozeptor Isoprenalin, Terbutalin Propranolol, Metoprolol
α-Adrenozeptor Phenylephrin (α1), Clonidin (α2) Prazosin (α1), Yohimbin (α2)
Dopaminrezeptor Dopamin, Bromocriptin Haloperidol
Opioidrezeptor (μ) Morphin Naloxon
Histaminrezeptor Histamin Terfenadin (H1), Ranitidin (H2)
5-HT1A-Rezeptor Buspiron
5-HT1D-Rezeptor Sumatriptan
P1-Rezeptor Adenosin Theophyllin, Coffein
P2Y-Rezeptor ATP, UTP, ADP Clopidogrel (P2Y12)
Angiotensin (AT1) Angiotensin II Losartan, Valsartan
Rezeptorproteinkinasen Insulinrezeptor Insulin
VEGF-Rezeptor (flt-1) VEGF3 Bavacizumab (Anti-VEGF!)
PDGF-Rezeptor PDGF3
EGF-Rezeptor EGF3 Geftinib, Antikörper
HERG2 EGF Trastuzumab
Interleukin-Rezeptor 1a Interleukin-1Zytokine, Erythropoetin Anakinra
Philadelphia-Chromosom (BCR/Abl) Imatinib
Agonist Antagonist oder Blocker
Transkriptionsregulatoren Glucocorticoidrezeptor Dexamethason
Mineralocorticoidrezeptor Fludrocortison Spironolacton
Estrogenrezeptor Estrogene Tamoxifen, Raloxifen
Progesteronrezeptor Gestagene Mifepriston
Testosteronrezeptor Testosteron, Danazol Flutamid
Vitamin-D-Rezeptor Calcitriol
Retinoidrezeptor Retinoide
Thyroxinrezeptor T3
Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor (PPAR)PPARαPPARγ FibrateRosiglitazon, Pioglitazon
Ionenkanäle
  • spannungsgesteuert

  • ligandengesteuert

Natriumkanal Veratridin, Aconitin, Pyrethroide Lidocain, Chinidin, Tetrodotoxin
L-Typ-Calciumkanäle Nifedipin, Diltiazem, Verapamil
T-Typ-Calciumkanäle Mibefradil, Antikonvulsiva
NicotinrezeptorMuskeltypNeuronentyp NicotinNicotin Curare, α-Bungarotoxin
5-HT3-Rezeptor Ondansetron
P2X-Rezeptor ATP Suramin
GABAA-Cl-Kanal GABA Bicucullin
Benzodiazepin-Bindungsstelle Diazepam Flumazenil
Glycin-Cl-Kanal Glycin, Taurin Strychnin
ATP-Kaliumkanäle Diazoxid, Minoxidil Sulfonylharnstoffe: Glibenclamid
Neurotransmitter-Transporter Noradrenalin Desipramin
5-HT/Serotonin Fluoxetin
Dopamin Cocain
GABA Tiagabin, Guvacin
Elektrolyttransporter Na+-K+-2Cl-Symporter Furosemid
Na+-Cl-Symporter Hydrochlorothiazid
Harnsäureionenaustauscher Benzbromaron
tubulärer Anionentransporter Probenecid
Strukturproteine Mikrotubuli Colchicin, Paclitaxel
Fibrinogenrezeptor (GP IIb/GP IIIa) Lamifiban, Tirofiban, Abciximab (Antikörper)
Actin C.-botulinum-C2-Toxin
Andere Pharmakarezeptoren
Pharmaka
Funktionsverstärkend Funktionsabschwächend
Hämoglobin CO/p-Dimethylaminophenol
Antithrombin III Heparin
Thrombin Hirudin, Ximelagatran
Plasminogen Gewebeplasminogenaktivator (t-PA)
Plasmin Aprotinin, Tranexamsäure
Exozytose-Proteine C.-botulinum-Neurotoxine
Rho-GTPase C.-botulinum-C3-Toxin
antigene Strukturen Antikörper
virale DNA-Polymerase Aciclovir4, Valaciclovir4
mRNA Antisense-Oligonukleotide
DNA Doxorubicin; Cyclophosphamid
B: Nicht rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen
Wirkprinzip Pharmaka
Säureneutralisation Antazida
Chelatbildung Schwermetallantidote wie EDTA für Blei
Resorptionshemmung durch Adsorption Colestyramin für GallensäurenAktivkohle bei Vergiftungen
Lösungsvermittler Chenodesoxycholsäure für Gallensteine
Osmose Diuretika, Laxantien
Steigerung der Zellmembranpermeabilität5 Amphotericin B, Nystatin
Proteindenaturierung konzentrierte Säuren und Laugen

1

Vitamin-K-Hydrochinon ist Cofaktor für die mikrosomale γ-Carboxylase und wird dabei in das 2,3-Epoxid umgewandelt. Die Reduktion des 2,3-Epoxids zum Vitamin-K-Hydrochinon erfolgt durch die kumarinsensitive Epoxidreduktase.

2

5-Fluorouracil hemmt die Thymidylat-Synthase erst nach Umwandlung in 5-Fluordesoxyuridinmonophosphat.

3

VEGF: vascular endothelial growth factor; PDGF: platelet-derived growth factor; EGF: epidermal growth factor.

4

Aciclovir und Valaciclovir wirken erst nach Phosphorylierung zum Triphosphat.

5

Die Spezifität für die Zellmembran wird durch Anlagerung an Membranlipide erreicht.

Wichtige Vektoren für die GentherapieRetroviren:GentherapiePlasmide:GentherapieLiposomen:GentherapieGentherapie:VektorenAdenoviren:Gentherapieadenoassoziierte Viren (AAV):GentherapieDNA:nackte

Tab. 1.2
Vektor Retroviren (Lentiviren) Adenoviren Adenoassoziierte Viren (AAV, Parvoviren) „Nackte“ DNA (Plasmid1/Liposomen)
Insert bis 7,5 kb2 bis 30 kb bis 4,7 kb unbegrenzt
Genom RNA doppelsträngige DNA einzelsträngige DNA RNA oder DNA
Integration in das menschliche Genom ja3 nein ja, teilweise Chromosom 19 (Locus 19q 13-qter) nein (selten ja)
Transduktionseffizienz gut gut variabel gering/mäßig
Zellteilung notwendig bei Onkovirusabkömmlingen, nicht notwendig bei Lentivirusabkömmlingen nicht notwendig nicht notwendig nicht notwendig
Genexpression stabil transient stabil/transient meist transient
Hauptvorteile stabile Genexpression relativ hohe Transduktion relativ hohe Transduktion ohne eine starke Immunantwort sicher und preiswert
Hauptnachteile/Gefahren Insertionsmutagenese4 hauptsächlich Transduktion epithelialer Zellen, häufig Immunantworten, nicht für Blutzellen geeignet hauptsächlich Transduktion epithelialer Zellen, Herstellung des Vektors kompliziert niedrige Effizienz

1

Plasmide sind sich autonom vermehrende „Minichromosomen“.

2

kb = Kilobasen (1000 Basen); ein menschliches Gen ist im Durchschnitt etwa 3 kb.

3

Das Genom des Menschen enthält eine Vielzahl retroviraler Sequenzen, die als HERVs (humane endogene Retroviren) bezeichnet werden. Schätzungen zufolge ist zwischen 0,6 und 1% des menschlichen Genoms retroviralen Ursprungs.

4

Das Gen wird an einem beliebigen Platz im Erbmaterial der Zelle eingebaut. Dabei lässt sich nicht ausschließen, dass sich das Gen zufällig inmitten einer wichtigen Erbanlage der Zelle inseriert und diese zerstört. Auch genetische Steuerungssignale könnten bei einer solchen Integration geschädigt werden und die Zellen dann beispielsweise zu erhöhter Teilungsaktivität und damit zum Krebswachstum anregen. Die Wahrscheinlichkeit für derartige Ereignisse ist gering, bedenkt man, dass Erbanlagen nur etwa 1,5% des menschlichen Erbguts ausmachen und der größte Teil aus nichtcodierenden Bereichen besteht. Solange man mit der Gentherapie schwerkranke Patienten behandelt, für die es keine anderen Heilungschancen gibt, dürfte der Nutzen die Risiken in aller Regel weit übertreffen.

Beziehung zwischen der Diffusionsstrecke und der Zeit, die notwendig ist, bis bei 20 °C Stoffe wie Harnstoff 99% des Verteilungsgleichgewichts durch Diffusion erreichenDiffusion

Tab. 1.3
Strecke Zeit
10 mm 12,7 h
1 mm 7,6 min
100 μm 4,6 s
10 μm 0,05 s
1 μm 0,0005 s
Beispiele für Diffusionsstrecken im Organismus:
Kapillarwand 0,2–0,4 μm
Alveolarwand 0,2–1,4 μm
Stratum corneum der Rückenhaut 10 μm

Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten von PharmakaTubocurarin:VerteilungskoeffizientThiopental:VerteilungskoeffizientPropicillin:VerteilungskoeffizientPhenobarbital:VerteilungskoeffizientPenicillin V:VerteilungskoeffizientOxacillin:VerteilungskoeffizientOctanol:VerteilungskoeffizientMorphin:VerteilungskoeffizientHalothan:VerteilungskoeffizientEstradiol:VerteilungskoeffizientDigoxin:VerteilungskoeffizientDigitoxin:VerteilungskoeffizientDecamethonium:VerteilungskoeffizientClonidin:VerteilungskoeffizientChlorpromazin:VerteilungskoeffizientAtropin:VerteilungskoeffizientAcetylsalicylsäure:Verteilungskoeffizient

Tab. 1.4
Decamethonium < 0,002
Tubocurarin 0,008
Morphin 5
Acetylsalicylsäure 17
Digoxin 18
Phenobarbital 30
Clonidin 60
Atropin 63
Digitoxin 70
Penicillin V 110
Halothan 200
Oxacillin 220
Estradiol 490
Thiopental 1.200
Chlorpromazin > 100.000

quartäre Verbindung. Mit Ausnahme der quartären Verbindungen beziehen sich die Werte auf die nichtionisierte Substanz. Daten aus Hansch und Leo: Substituent Constants for Correlation Analysis in Chemistry and Biology, John Wiley, New York 1979.

Die enterale Resorption von Pharmaka beeinflussende Faktorenenterale Resorption:EinflussfaktorenResorption:enterale

Tab. 1.5
1. Substanzeigenschaften
  • Wasserlöslichkeit

  • Lipophilie (Verteilungskoeffizient)

  • Molekülmasse

  • Säure-/Basencharakter, pKa

2. Galenik
  • Zerfall der Arzneiform (Desintegrationszeit)

  • Löslichkeit und Lösungsgeschwindigkeit

  • galenische Hilfsstoffe

3. Anatomie, Physiologie
  • Oberfläche des Magen-Darm-Trakts

  • Durchblutung des Magen-Darm-Trakts

  • pH-Verhältnisse im Magen-Darm-Trakt

  • Magenentleerungszeit

  • Passagezeit im Darm

  • „präsystemischer“ Metabolismus im Darm

4. Beeinflussung der Resorption durch andere Stoffe
  • andere Pharmaka

  • Nahrungsaufnahme

Beeinflussung der MagenentleerungMagenentleerung:Einflussfaktoren

Tab. 1.6
Verlangsamt durch Beschleunigt durch
  • fettreiche Kost

  • feste Nahrung

  • sehr warme Nahrung

  • Übergewicht

  • Liegen auf der linken Seite

  • Migräne

  • Herzinfarkt

  • Wehen

  • Trauma, Schmerzen

  • große Flüssigkeitsmengen

  • Liegen auf der rechten Seite

  • Duodenalulkus

Pharmaka (Beispiele)
  • Muscarinrezeptor-Antagonisten

  • trizyklische Antidepressiva

  • Opiate

  • Aluminiumhydroxid

  • Parasympathomimetika

  • Metoclopramid

Beispiele von Pharmaka, die präsystemisch metabolisiert werdenMetabolismus/Metabolisierung:präsystemischeArzneimittel(therapie):MetabolisierungAcetylsalicylsäure:MetabolisierungCiclosporin:MetabolisierungDihydroergotamin:MetabolisierungL-Dopa:MetabolisierungEstradiol:MetabolisierungGlyceroltrinitrat:MetabolisierungHydralazin:MetabolisierungImipramin:MetabolisierungIsosorbiddinitrat:MetabolisierungLidocain:MetabolisierungMetoprolol:MetabolisierungNorfenefrin:MetabolisierungNortriptylin:MetabolisierungPentazocin:MetabolisierungPethidin:Metabolismus/MetabolisierungPropranolol:MetabolisierungTacrolimus:MetabolisierungVerapamil:Metabolisierung

Nach Klotz: Einführung in die Pharmakokinetik, Govi-Verlag, 1988.

Tab. 1.7
Substanz Hepatisch Gastrointestinal
Acetylsalicylsäure + +
Ciclosporin + +
Dihydroergotamin +
L-Dopa +
Estradiol + +
Glyceroltrinitrat +
Hydralazin +
Imipramin +
Isosorbiddinitrat +
Lidocain +
Metoprolol +
Norfenefrin +
Nortriptylin +
Pentazocin +
Pethidin +
Propranolol +
Tacrolimus + +
Verapamil + +

Vergleich des Wirkstoffgehalts von Augentropfen und anderen ZubereitungenTimolol:TablettenTimolol:AugentropfenClonidin:TablettenClonidin:AugentropfenClonidin:AmpullenAugentropfen:WirkstoffgehalteAtropin:TablettenAtropin:AugentropfenAtropin:AugentropfenAtropin:Ampullen

Tab. 1.8
Wirkstoff Zubereitung und Wirkstoffgehalt
Augentropfen Tabletten Ampullen
Atropin 5–10 mg/ml (0,5–1 mg) 0,5 mg 0,5–2 mg/ml
Clonidin 1,25–5 mg/ml (0,125–0,5 mg) 0,075–0,3 mg 0,1 mg/ml
Timolol 1–5 mg/ml (0,1–0,5 mg) 10 mg
Pilocarpin 5–40 mg/ml (0,5–4 mg)

Die Wirkstoffkonzentration in Augentropfen ist meist sehr hoch, sodass in dem üblichen Applikationsvolumen von 1–2 Tropfen beträchtliche Mengen enthalten sind.

Cave: akzidentelle Intoxikation bei Kindern! Die Zahlen in Klammern ergeben sich für den Wirkstoffgehalt in 2 Tropfen unter der Annahme, dass 20 Tropfen 1 ml entsprechen.

Plasmaproteinbindung von PharmakaPropranolol:PlasmaproteinbindungPlasmaproteinbindungPhenytoin:PlasmaproteinbindungPhenylbutazon:PlasmaproteinbindungPhenprocoumon:PlasmaproteinbindungPhenobarbital:PlasmaproteinbindungGentamicin:PlasmaproteinbindungDigoxin:PlasmaproteinbindungDigitoxin:PlasmaproteinbindungDiazepam:PlasmaproteinbindungChinidin:Plasmaproteinbindung

Tab. 1.9
Pharmakon Gebundener Anteil (in%)
Phenprocoumon 99
Diazepam 98
Digitoxin 95
Propranolol 95
Phenytoin 90
Chinidin 80
Phenobarbital 50
Digoxin 25
Gentamicin < 10

* Gebundener Anteil konzentrationsabhängig.

Grundtypen der Cytochrom-P450-katalysierten ReaktionenVinylchlorid:MetabolismusTolbutamid:MetabolismusSchwefelkohlenstoff:MetabolismusPhenothiazine:MetabolismusPhenacetin:MetabolismusPethidin:Metabolismus/MetabolisierungPentobarbital:MetabolismusParathion:MetabolismusPapaverin:MetabolismusMethadon:MetabolismusMetamphetamin:MetabolismusMescalin:MetabolismusKodein:MetabolismusImipramin:MetabolismusHistamin:MetabolismusEphedrin:MetabolismusEphedrin:MetabolismusCytochrom-P450-katalysierte ReaktionenChlorpromazin:MetabolismusAnilin:MetabolismusAmphetamin:MetabolismusAlkylhalogenide:Metabolismus<03B2>-Naphthylamin:Metabolismus

Tab. 1.10
Aliphatische Hydroxylierung: Pentobarbital, Tolbutamid

Epoxidierung: olefinische Doppelbindung, z.B. Vinylchlorid und andere Ethylenhalogenide. Beständigkeit und Art der Folgeprodukte hängen stark von den Substituenten an den Doppelbindungen ab

Aromatische Hydroxylierung: Dabei treten Epoxide als Zwischenstufen auf, die auf unterschiedliche Weise weiterreagieren können. In der Regel entstehen dabei aber Phenole

N-Oxidation: Anilin, β-Naphthylamin

S-Oxidation: Phenothiazine
N-Desalkylierung: aliphatische Kohlenstoffatome in Nachbarschaft zu Heteroatomen werden leicht oxidiert. Als Oxidationsprodukt entstehen Aldehyde. Gleichzeitig wird die Aminogruppe freigelegt, z.B. Metamphetamin, Ephedrin, Chlorpromazin, Imipramin, Methadon, Pethidin

O-Desalkylierung: Codein, Papaverin, Phenacetin

Desaminierung: Amphetamin, Ephedrin, Histamin, Mescalin

Entschwefelung: Schwefelkohlenstoff, Parathion

Oxidative Dehalogenierung: Alkylhalogenide

Typische Substrate für Reduktionsreaktionen im Arzneistoffmetabolismus

Tab. 1.11
Substanzgruppe Substanzen
Azo-Verbindungen Sulfasalazin, Sulfachrysoidin
Nitro-Verbindungen Chloramphenicol, Nitrazepam, Nitrofurantoin
polyhalogenierte Kohlenwasserstoffe CCl4, Halothan

Grundtypen Glutathion-S-Transferase-abhängiger ReaktionenParacetamol:Glutathion-S-TransferaseNitroglycerin:Glutathion-S-TransferaseNaphthalinepoxid:Glutathion-S-TransferaseLipidhydroperoxide:Glutathion-S-TransferaseGlutathion-S-Transferase-abhängige ReaktionenBenzylchlorid:Glutathion-S-TransferaseBenzolepoxid:Glutathion-S-Transferase1,2-Dichlor-4-nitrobenzol:Glutathion-S-Transferase

Tab. 1.12
Reaktionstyp Substratgruppe Beispiel
Substitution von
Halogen-, Nitro-, Sulfat-Resten aktivierte aliphatische Kohlenstoffatome Benzylchlorid
Halogen-, Nitro-Resten aktivierte aromatische Kohlenstoffatome 1,2-Dichlor-4-nitrobenzol
Nitrat-Rest organische Nitrate Nitroglycerin
Hydroxyl-Rest Hydroperoxide Lipidhydroperoxide
Addition an
α-, β-ungesättigte Carbonyl-Verbindungen Chinone, Chinonimine Paracetamol
kleine Ringe (Abb. 1.41) Epoxide Benzolepoxid, Naphthalinepoxid

Klinisch wichtige CYP-3A4-Inhibitoren und -InduktorenCYP-3A4-Inhibitoren und -Induktoren

Tab. 1.13
Reversible Inhibition Irreversible Inhibition Induktion
  • Cimetidin

  • Clarithromycin

  • Ciclosporin

  • Diltiazem

  • Erythromycin

  • Fluoxetin

  • Itraconazol

  • Indinavir

  • Ketoconazol

  • Ritonavir

  • Saquinavir

  • Verapamil

  • Grapefruitsaft

  • Bergamottin

  • Dihydroxybergamottin

  • Barbiturate (z.B. Phenobarbital)

  • Carbamazepin

  • Dexamethason

  • Phenytoin

  • Rifampicin

Genetische Polymorphismen und seltene Defekte arzneistoffabbauender EnzymeTPMT (Thiopurin-S-Methyltransferase):DefektPseudocholinesterase:DefektPolymorphismus:genetischerParaoxonase:DefektN-Acetyltransferase II (NAT II):DefektGST (Glutathion-S-Transferasen):DefekteFMO (Flavin-Monooxygenase):DefektFish-Odor-SyndromEnzymdefekteDPD (Dihydropyrimidin-Dehydrogenase):DefektCYP 2D6:DefektCYP 2C19:DefektCYP 2C9:DefektCYP 2A6:DefektButyrylcholinesterase:DefektAlkoholdehydrogenase (ADH):DefektAldehyddehydrogenase (ALDH):mitochondriale (ALDH 2)

Tab. 1.14
Enzym Häufigkeit defizienter Metabolisierer in der europäischen Bevölkerung
CYP 2A6 1–2%
CYP 2D6 5–10%
CYP 2C9 ≈ 2%
CYP 2C19 2–5%
ADH 2 (Alkoholdehydrogenase) 5–20%
ALDH 2 (Aldehyddehydrogenase) bei Kaukasiern extrem selten, in Asien bis 50%
FMO 3 (Flavin-Monooxygenase)/ Fish-Odor-Syndrom ≈ 0,5%
DPD (Dihydropyrimidin-Dehydrogenase) ≈ 1 : 100.000
Pseudo- oder Butyrylcholinesterase ≈ 0,05%
Paraoxonase∗* 5–10%
UGT 1A1 (Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferase) 5–7%
GST (Glutathion-S-Transferasen) GST T1 ≈ 38%, GST M1 30–60%
NAT II (N-Acetyltransferase) ≈ 50%
TPMT (Thiopurin-S-Methyltransferase) 0,2%

Die Dihydropyrimidin-Dehydrogenase (DPD) katalysiert den initialen reduktiven Abbauweg endogener Pyrimidine wie Thymin und Uracil und des Zytostatikums 5-Fluorouracil, eines fluorierten Pyrimidin-Analogons.

∗*

Die Paraoxonase ist eine plasmatische Arylesterase. Substrate sind aromatische Carbonsäureester, Carbamate und organische Phosphorsäureester, wie z.B. Paraoxon, das nach metabolischer Umwandlung aus dem Pflanzenschutzmittel Parathion (= E605) entsteht.

Beispiele von Pharmaka, deren Bioverfügbarkeit bei Leberkranken erheblich zunehmen kann Clomethiazol:BioverfügbarkeitPethidin:BioverfügbarkeitMetoprolol:BioverfügbarkeitPropranolol:BioverfügbarkeitNifepidin:BioverfügbarkeitVerapamil:BioverfügbarkeitPentazocin:Bioverfügbarkeit

(nach Bass und Williams: Clin. Pharmacokin. 15, 396; 1988)

Tab. 1.15
Clomethiazol Pethidin
Metoprolol Propranolol
Nifedipin Verapamil
Pentazocin

Scheinbare Verteilungsvolumina V (L/kg) einiger Pharmaka Verteilungsvolumen:scheinbares/apparentesHeparin:VerteilungsvolumenInsulin:VerteilungsvolumenTolbutamid:VerteilungsvolumenWarfarin:VerteilungsvolumenAmpicillin:VerteilungsvolumenTheophyllin:VerteilungsvolumenIsoniazid:VerteilungsvolumenPhenytoin:VerteilungsvolumenEthanol:VerteilungsvolumenParacetamol:VerteilungsvolumenPentobarbital:VerteilungsvolumenProcainamid:VerteilungsvolumenMorphin:VerteilungsvolumenChinidin:VerteilungsvolumenPropranolol:VerteilungsvolumenLidocain:VerteilungsvolumenPethidin:VerteilungsvolumenDigoxin:VerteilungsvolumenImipramin:VerteilungsvolumenChlorpromazin:Verteilungsvolumen

(nach Greenblatt und Shader: Pharmacokinetics in Clinical Practice. Saunders, Philadelphia 1985)

Tab. 1.16
Heparin 0,06
Insulin 0,08
Warfarin 0,2
Ampicillin 0,3
Theophyllin 0,4
Isoniazid 0,6
Phenytoin 0,6
Ethanol 0,65
Paracetamol 1,0
Procainamid 2,0
Morphin 2,0
Chinidin 2,3
Propranolol 3,0
Lidocain 3,0
Pethidin 3,5
Digoxin 7,0
Imipramin 15,0
Chlorpromazin 20,0

Bezogen auf das Körpergewicht, beträgt der gesamte Körperwasserraum 0,6 L/kg. Scheinbare Verteilungsvolumina, die das reale Volumen des Körperwasserraums übersteigen, ergeben sich für Pharmaka, die im Gewebe gebunden oder im Fettgewebe gespeichert werden. In diesem Fall befindet sich nur ein geringer Anteil im Plasma, sodass sich für den Quotienten D/C sehr hohe Werte ergeben können.

Beispiele von Arzneistoffen, bei denen die Messung der Plasma- bzw. Serumkonzentrationen zur Therapiekontrolle sinnvoll istVancomycin:PlasmakonzentrationenTheophyllin:PlasmakonzentrationenTacrolimus:PlasmakonzentrationenPlasmakonzentrationsmessung:Dosisfindung/TherapiekontrolleMethotrexat:PlasmakonzentrationenLithium:PlasmakonzentrationenHerzglykoside:PlasmakonzentrationenCiclosporin:PlasmakonzentrationenAntiepileptika:PlasmakonzentrationenAminoglykosidantibiotika:Plasmakonzentrationen

Tab. 1.17
Aminoglykosidantibiotika
Herzglykoside
Theophyllin
Lithium
Methotrexat (in hohen Dosen)
Antiepileptika
Ciclosporin
Tacrolimus
Vancomycin

Beispiele altersbedingter Veränderungen, die die Pharmakokinetik beeinflussen könnenVerteilungsvolumen:im AlterResorption:im AlterBioverfügbarkeit:im AlterLeber:ClearanceClearanhepatischeNieren:ClearanceClearanrenale

Tab. 1.18
Altersbedingte Veränderung Betroffener kinetischer Parameter
Oberfläche der Magen-Darm-Schleimhaut ↓
Blutfluss im Splanchnikusgebiet ↓
Säureproduktion im Magen ↓
Magenentleerung ↓
Peristaltik ↓
Resorption, Bioverfügbarkeit
Muskelmasse ↓ (−20%)
Körperfett ↑ (+50–100%)
Gesamtkörperwasser ↓ (−20%)
Serum-Albumin ↓ (−20%)
Verteilungsvolumen
Lebermasse ↓ (−40%)
Leberdurchblutung ↓ (−50%)
Leberenzymaktivität ↓
Leberenzyminduktion ↓
hepatische Clearance, Bioverfügbarkeit
Nierendurchblutung ↓ (−50%)
glomeruläre Filtration ↓ (−50%)
tubuläre Sekretion ↓
renale Clearance

Für einige Parameter ist die prozentuale Änderung beim alten (70–90 J.) gegenüber dem jungen (20–30 J.) Menschen angegeben. Die Zahlen sind nur Anhaltswerte.

↓: Abnahme bzw. Verlangsamung im Alter; ↑: Zunahme im Alter.

Beispiele für eine Zunahme der oralen Bioverfügbarkeit im AlterBioverfügbarkeit:im AlterClomethiazol:BioverfügbarkeitLidocain:BioverfügbarkeitVerapamil:BioverfügbarkeitPropranolol:BioverfügbarkeitNifepidin:Bioverfügbarkeit

Tab. 1.19
Pharmakon Bioverfügbarkeit [Alter in Jahren] Bioverfügbarkeit [Alter in Jahren] Verhältnis alt/jung
Clomethiazol1 5–16%
[25–28]
70–90%
[68–70]
≈ 8
Lidocain2 13% (4–21)
[20–34]
27% (12–52)
[73–87]
2,1
Verapamil3 23% (10–42)
[33–70]
38% (9–83)
[85–93]
1,7
Propranolol4 30%
[29±2]a
55%
[78±3]a
1,8
Nifedipin5 46±2%a
[22–35]
61±7%a
[73–83]
1,3

a

× ± SD

1

Nation et al.: Eur. J. Clin. Pharmacol. 12, 137; 1977.

2

Cusack et al.: Eur. J. Clin. Pharmacol. 29, 323; 1985.

3

Storstein et al.: Acta Med. Scand., Suppl. 681, 25; 1984.

4

Castleden und George: Brit. J. Clin. Pharmacol. 7, 49; 1979.

5

Robertson et al.: Brit. J. Clin. Pharmacol. 25, 297; 1988.

Maßnahmen zur Löslichkeitsverbesserung von WirkstoffenVitamin K:LöslichkeitsverbesserungSirolimus:LöslichkeitsverbesserungProstaglandin E1:LöslichkeitsverbesserungPoloxamer-188Omeprazol:LöslichkeitsverbesserungNanokristalle/-suspensionenMischmizellenMikroemulsionenLysinat:LöslichkeitsverbesserungLöslichkeitsverbesserungLiposomenKomplexbildung:löslichkeitsverbesserungIbuprofen:LöslichkeitsverbesserungHerzglykoside:LöslichkeitsverbesserungGriseofulvin:LöslichkeitsverbesserungEinschlussverbindungenCyclodextrine (CD):EinschlussverbindungenCiclosporin:LöslichkeitsverbesserungArzneimittel(therapie):LöslichkeitsverbesserungAmphotericin B:Löslichkeitsverbesserung

Tab. 1.20
Methode Beispiele von verwendeten Hilfsstoffen Wirkstoff-Beispiele
Salzbildung Lysinat Ibuprofen
organische Lösungen, z.T. wasserhaltig Ethanol, Glycerol, Propylenglykol, flüssiges Polyethylenglykol, 1,3-Butandiol, Öle Extrakte, Säfte
feste Lösungen Polyvinylpyrrolidon, festes Polyethylenglykol Griseofulvin, Herzglykoside
Nanokristalle Poloxamer-188 (Tensid) Sirolimus
Mischmizellen Tensidmischungen, z.B. Gallensalz und Lecithin Vitamin K
Mikroemulsionen Öle + Tenside + Co-Tenside + hydrophile Komponente Ciclosporin
Liposomen Phospholipide, Cholesterol Amphotericin B
Komplexbildung Nicotinamid Steroidhormone
Einschlusskomplexe α-Cyclodextrine β-Cyclodextrine parenteral: Prostaglandin E1 peroral: Omeprazol

Gebräuchliche arzneimittelrechtliche Abkürzungen

Tab. 1.21
AMG Arzneimittelgesetz
BfArM Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte
CHMP Committee for Medicinal Products for Human Use
CMS Concerned Member State
DCP Decentralised Procedure
EMA European Medicines Agency
EudraCT European Clinical Trials Database
GCP Good Clinical Practice
ICH International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use
MRP Mutual Recognition Procedure
PEI Paul-Ehrlich-Institut
PSUR Periodic Safety Update Report
RMS Reference Member State
SmPC Summary of Product Characteristics
UAW Unerwünschte Arzneimittelwirkung

Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie

  • 1.1

    Grundbegriffe K. Starke2

    • 1.1.1

      Die Pharmakologie2

    • 1.1.2

      Pharmaka2

    • 1.1.3

      Wechselwirkung mit Lebewesen3

    • 1.1.4

      Perspektiven3

  • 1.2

    Wirkungen von Pharmaka auf den Organismus: allgemeine Pharmakodynamik F. Hofmann4

    • 1.2.1

      Rezeptorvermittelte und nicht rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen 4

    • 1.2.2

      Kinetik der Pharmakon-Rezeptor-Interaktion8

    • 1.2.3

      Pharmakonwirkungen am Menschen12

    • 1.2.4

      Rezeptor-Signal-Transduktion14

  • 1.3

    Medizinische Gentechnologie und Gentherapie U. Förstermann und H. Kleinert 24

    • 1.3.1

      Gentechnisch hergestellte Arzneistoffe (Proteine)24

    • 1.3.2

      Nukleinsäure-Therapeutika25

    • 1.3.3

      Therapeutischer Gentransfer28

    • 1.3.4

      Anwendungen der Gentherapie (Nukleinsäure-Therapeutika und Gentransfer)31

    • 1.3.5

      Herstellung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) durch gentechnische Veränderungen normaler Körperzellen35

    • 1.3.6

      Regulation der Genexpression durch „klassische” Pharmaka35

  • 1.4

    Wirkungen des Organismus auf Pharmaka: allgemeine Pharmakokinetik M. Eichelbaum und M. Schwab36

    • 1.4.1

      Durchtritt von Pharmaka durch biologische Membranen36

    • 1.4.2

      Aufnahme von Pharmaka in den Organismus – Resorption40

    • 1.4.3

      Verteilung von Pharmaka44

    • 1.4.4

      Elimination von Pharmaka durch Metabolismus46

    • 1.4.5

      Elimination von Pharmaka durch Exkretion56

    • 1.4.6

      Pharmakogenetik60

  • 1.5

    Arzneistoffkonzentration im Organismus in Abhängigkeit von der Zeit: Pharmakokinetik im engeren Sinn M. Eichelbaum und M. Schwab63

    • 1.5.1

      Pharmakokinetische Parameter63

    • 1.5.2

      Pharmakokinetische Modelle68

    • 1.5.3

      Pharmakokinetik und Arzneistoffdosierung70

    • 1.5.4

      Besondere Patientengruppen: Kinder, alte Menschen und Schwangere 74

  • 1.6

    Arzneiformen R. Schubert77

    • 1.6.1

      Arbeitsgebiete der pharmazeutischen Technologie77

    • 1.6.2

      Biopharmazie78

  • 1.7

    Klinische Arzneimittelentwicklung und Pharmakovigilanz K. Dilger83

    • 1.7.1

      Arzneimittelrecht83

    • 1.7.2

      Klinische Prüfung von Arzneimitteln84

    • 1.7.3

      Zulassung von Arzneimitteln86

    • 1.7.4

      Therapiefreiheit86

    • 1.7.5

      Pharmakovigilanz87

  • 1.8

    Dogmatische Arzneitherapien K. Starke88

    • 1.8.1

      Kritische Empirie und Dogma88

    • 1.8.2

      Homöopathie89

    • 1.8.3

      Phytotherapie90

    • 1.8.4

      Anthroposophische Arzneitherapie91

Grundbegriffe

K. Starke

Die Pharmakologie

Die Pharmakologie ist die Wissenschaft von den Wechselwirkungen zwischen Stoffen und Lebewesen.
Einen Stoff, insofern er mit Lebewesen wechselwirkt, nennt man PharmakologiePharmakon (englisch meist „drug“).
Die Pharmakologie betrachtet die Wechselwirkung von Stoffen und Lebewesen zunächst wertneutral, also unabhängig davon, ob die Wechselwirkung für das Lebewesen, in der Regel Pharmakon/Pharmakaden Menschen, nützlich, belanglos oder schädlich ist. Entsprechend gilt das Wort „Pharmakon“ für alle mit Lebewesen in Kontakt tretenden Stoffe, unabhängig von ihrer Nützlichkeit oder Schädlichkeit. In einem zweiten Schritt kann man aber werten und unterscheidet dann zwischen Arzneiwirkungen und Schadwirkungen sowie zwischen Arzneistoffen und Giften. Die letztere Unterscheidung bildet allerdings die pharmakologische Wirklichkeit nicht getreu ab: Ein Arzneistoff kann auch schaden und ein gemeinhin als Gift bezeichneter Stoff zuweilen nützen (Kap. 1.1.2).
Mit der Anwendung von Arzneistoffen beim Menschen beschäftigt sich die Klinische Pharmakologie. Sie prüft u.a. neue Arzneistoffe auf die vom Gesetzgeber geforderte therapeutische Wirksamkeit. Sie hilft, für einen individuellen Patienten das richtige Arzneimittel in der richtigen Dosis Pharmakologie:klinischeauszusuchen. Schadwirkungen von Stoffen und praktische Konsequenzen daraus behandelt die Toxikologie (Kap. 38).
Nach der Definition der Pharmakologie sind Toxikologie und Klinische Pharmakologie Teile der Pharmakologie. Sie sind essenzielle Teile. In ihnen gewinnt die Pharmakologie für das menschliche Leben unmittelbare Relevanz.
Einige weitere Unterscheidungen sind wichtig. Die Spezielle oder Systematische Pharmakologie betrachtet einzelne Pharmaka und versucht, ihre Wechselwirkungen mit Lebewesen möglichst vollständig zu beschreiben. Aus großen Serien solcher Untersuchungen leitet die Allgemeine Pharmakologie:systematische oder speziellePharmakologie Gesetzmäßigkeiten ab, die für alle Pharmaka gelten. Sie liefert die Theorie der Pharmakologie. Kenntnis der Allgemeinen Pharmakologie erleichtert das Verständnis der Speziellen Pharmakologie. Warum Pharmakologie:allgemeineAlkalisierung des Harns die renale Exkretion von Salicylsäure steigert, sollte man auf der Basis der Allgemeinen Pharmakologie verstehen; es in der Speziellen Pharmakologie auswendig zu lernen wäre unökonomisch.
Besonderen Aspekten widmen sich z.B. die Neuropharmakologie, die Psychopharmakologie, die Biochemische Pharmakologie, die Molekulare Pharmakologie und die Pharmakogenetik.
Im Unterschied zur Pharmakologie ist die Pharmazie die Wissenschaft von den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Arzneistoffe, von ihrer Gewinnung, ihrer Analytik und ihrer Verarbeitung zu Arzneiformen wie Tabletten und Salben (Kap. 1.6), bei Pharmaziepflanzlichen Arzneistoffen auch von ihrer Biosynthese und von den pflanzlichen Spendern. Wo Arzneistoffe mit Lebewesen in Wechselwirkung treten, beginnt die Pharmakologie. Selbstverständlich bedürfen die beiden Wissenschaften einander, wenn es um die Anwendung von Arzneistoffen bei Mensch und Tier geht.

Pharmaka

Stoffe im Sinne der Pharmakologie, mit anderen Worten Pharmaka, können reine chemische Substanzen sein, aus der Natur gewonnen oder vom Menschen durch chemische Verfahren hergestellt. Sie können auch Pharmakon/PharmakaGemische von Verbindungen sein, etwa Pflanzenteile und Pflanzenextrakte. Sie können körpereigen sein, wie Hormone und Gerinnungsfaktoren, oder normalerweise nicht im Körper vorhanden.
Nur die als Nahrungsmittel aufgenommenen Eiweiße, Fette und Kohlenhydrate bleiben meist außerhalb des von der Pharmakologie betrachteten Stoffkreises.
Wie oben dargestellt, führt eine Wertung der Pharmaka zur Unterscheidung von Arzneistoffen und Giften. Arzneistoffe sind Pharmaka, die (bei entsprechender Dosierung) dem Menschen nützen, indem sie der Verhütung, Heilung, Linderung oder Erkennung von Krankheiten dienen. Gifte sind ArzneistoffePharmaka, die (bei entsprechender Dosierung) dem Menschen schaden. Dass die Unterscheidung nicht scharf ist, wurde betont. Viele Pharmaka wirken je nach ihrer Dosis nützlich oder schädlich; z.B. können 0,5 g GifteAcetylsalicylsäure Schmerzen lindern, 20 g aber, auf einmal eingenommen, einen Menschen töten. Selbst bei angemessener Dosierung kann jeder Arzneistoff neben der erwünschten Wirkung auch Schadwirkungen auslösen.
Arzneistoffe, mithilfe der pharmazeutischen Technologie in eine zur Anwendung beim Menschen geeignete Arzneiform (Tabletten, Injektionslösungen oder Salben) gebracht, werden als Arzneimittel bezeichnet. Den Verkehr mit Arzneimitteln regelt in Deutschland das Arzneimittelgesetz (Kap. 1.7). Nur selten werden heute Arzneimittel(therapie)Arzneimittel noch für einen bestimmten Patienten ad hoc in der Apotheke zubereitet. Viel häufiger sind ArzneimittelgesetzFertigarzneimittel, im Voraus hergestellt und in einer zur Abgabe an den Verbraucher bestimmten Verpackung in den Verkehr gebracht. Fertigarzneimittel bedürfen der FertigarzneimittelZulassung durch die zuständige Bundesbehörde, meist das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte. Für die Zulassung müssen Arzneimittel(therapie):Zulassungdie pharmazeutische Qualität des Arzneimittels, seine Zulassung von Arzneimittelntherapeutische Wirksamkeit und seine Unbedenklichkeit nachgewiesen werden. Homöopathische Fertigarzneimittel (Kap. 1.8) bedürfen allerdings nicht der Zulassung, sondern nur einer „Registrierung“, für die pharmazeutische Qualität und Homöopathika:RegistrierungFreiheit von unvertretbaren Schadwirkungen genügen.
Chemisch Registrierung:Homöopathikadefinierte Arzneistoffe werden weltweit mit einem von der WHO festgelegten Freinamen (= generic name = international non-proprietary name = INN) bezeichnet. Diese Freinamen generic name s. Freinamesollten bei allen wissenschaftlichen Erörterungen benützt werden. Die pharmazeutischen Unternehmen INN (international non-proprietary name)prägen oft eingetragene Warenzeichen, meist durch ® (Freinameregistered) gekennzeichnet. So ist Dolantin® der Markenname der Firma Hoechst für das Analgetikum, dessen Freiname Pethidin ist. Häufig kommen Arzneimittel, wenn der Patentschutz Warenzeichenabgelaufen ist, unter ihrem Freinamen in den Handel, billiger als unter dem Markennamen des Erstvertreibers. Solche Fertigarzneimittel nennt man Generika.
Den Weg vom Pharmakon zur Fertigarznei rekapituliert Abbildung 1.1.

Wechselwirkung mit Lebewesen

MarkennamenIn zwei Richtungen gehen die Wechselwirkungen zwischen Stoffen und GenerikaLebewesen:
  • Die Wirkungen des Pharmakons auf das Lebewesen fasst man unter dem Begriff Pharmakodynamik zusammen.

  • Die Wirkungen des Lebewesens auf das Pharmakon fasst man unter dem Begriff Pharmakokinetik zusammen.

Schon Rudolf Buchheim,Pharmakodynamik der die Pharmakologie zu einem selbstständigen Fach machte (Kap. 1.1.4), hat diesen Doppelaspekt erkannt und in dem brillanten Satz formuliert, der das Motto des PharmakokinetikKapitels bildet.
Abbildung 1.2 zeigt den Doppelaspekt etwas konkreter und gibt eine Vorschau darauf, was in den nächsten Abschnitten des Kapitels Allgemeine Pharmakologie an Pharmakodynamik und Pharmakokinetik besprochen wird.

Perspektiven

Die Pharmakologie im heutigen Sinne entstand im 19. Jahrhundert parallel zur Physiologie, physiologischen Chemie und Pathologie. Zum ersten Mal Pharmakologie:Perspektivenwollte man die Wechselwirkungen von Stoffen und Lebewesen als Pharmakologie:GeschichteUrsachen-Wirkungs-Ketten verstehen und das Verstehen dem Menschen nutzbar machen.
Pioniere waren Friedrich Wilhelm Sertürner (1783–1841), der in Paderborn und Einbeck aus dem Opium das Morphin isolierte und als den wirksamen Bestandteil erkannte, und François Sertürner, Friedrich WilhelmMagendie (1783–1855), der in Paris nachwies, dass die Angriffspunkte des Strychnins im Rückenmark liegen und dass Strychnin auf dem Blutweg dorthin gelangt. Sertürner war aber Apotheker und Magendie Physiologe.Magendie, François Eigentlicher Gründer der Pharmakologie als ein selbstständiges Fach war Rudolf Buchheim (1820–1879). Er richtete in Dorpat in Estland, dem heutigen Tartu, der Welt erstes Pharmakologisches Institut ein. Sein bedeutendster Doktorand war Oswald Buchheim, RudolfSchmiedeberg (1838–1921), der später 46 Jahre lang, von 1872 bis 1918, das Pharmakologische Institut der Universität Straßburg leitete. Er isolierte das Muscarin aus dem Fliegenpilz und beobachtete die Schmiedeberg, OswaldÄhnlichkeit seiner Herzwirkung mit der Wirkung des N. vagus, isolierte das Digitoxin aus dem Fingerhut und entdeckte die Glucuronsäure und ihre Rolle als Kopplungspartner für Pharmaka. Schmiedeberg und der Internist Naunyn gründeten 1873 die erste, noch heute gedeihende pharmakologische Fachzeitschrift, das Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie, heute Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology. Mit Schmiedebergs etwa 120 Archiv für experimentelle Pathologie und PharmakologieSchülern aus 20 Ländern strahlte die Pharmakologie weltweit aus.
Die Pharmakologie hat mitgeholfen, unser Leben zu verlängern und freier von Naunyn-Schmiedeberg's Archives of PharmacologySchmerz und anderen Krankheitssymptomen zu machen. Von 1900 bis 1999 nahm die Lebenserwartung bei Frauen in Deutschland um 31 und bei Männern um 28 Jahre zu, bei Weitem nicht nur, aber doch auch dank der Pharmakologie. Konkretes beeindruckt oft mehr als Zahlen. So sei in willkürlicher Lebenserwartung:gestiegeneAuswahl daran erinnert, dass die Pharmakologie und Toxikologie, hätte sie damals schon auf dem Stand von heute existiert, länger hätte leben lassen:
  • die vielen Menschen der Antike, die an Bleivergiftung zugrunde gingen, weil Blei bei der Nahrungsmittelbereitung und für Wasserleitungen verwendet wurde

  • die vielen Menschen, die sich im Mittelalter mit mutterkornhaltigem Getreide vergifteten

  • Kaiser Heinrich VII., der 1313 der Malaria zum Opfer fiel

  • Johann Wolfgang Goethes vier als Kinder verstorbene Geschwister (nur er und seine Schwester Cornelia erreichten das Erwachsenenalter)

  • Jane Austen, die 1817 an der Addison-Krankheit starb

  • Franz Schubert, den 1828 der Typhus hinwegraffte (wenn diese und die vorangehenden Paläodiagnosen stimmen)

  • Franz Kafka, der 1923 der Tuberkulose erlag

  • Franklin Delano Roosevelt, der 1945 nach chronischem Bluthochdruck eine tödliche Hirnblutung erlitt.

Es sei daran erinnert, dass es ohne das pharmakologische Adjuvans der Narkose und Lokalanästhesie keine nennenswerte Chirurgie gäbe.
Ist das Ziel der ärztlichen Kunst ein langes, gesundes oder doch von Krankheit möglichst freies Leben, dann gibt es für die Pharmakologie noch viele ungelöste Probleme. Die Medizin sucht dringend neue Medikamente z.B. für:
  • die Infektionskrankheiten Malaria, chronische Hepatitiden B und C, die HIV-Infektion, die Pharmakologie:ProblemeTuberkulose

  • Malignome

  • die Arteriosklerose (koronare Herzkrankheit, periphere arterielle Verschlusskrankheit, Cerebralsklerose)

  • Immunopathien einschließlich der Abstoßungsreaktionen nach allogenen Transplantationen

  • chronisch-entzündliche Darmerkrankungen

  • metabolische Krankheiten

  • die neurodegenerativen Erkrankungen

  • psychiatrische Krankheiten.

Neue Wege der Arzneistoffsuche und neue Therapieansätze wie die somatische Gentherapie (Kap. 1.3) mögen helfen, einige Ziele zu erreichen.

Der Geist der Medicin ist leicht zu fassen;

Ihr durchstudirt die groß' und kleine Welt

Um es am Ende gehn zu lassen,

Wie's Gott gefällt.

Gewiss geht es am Ende so, wie es Gott gefällt. Jedoch hat es dem gefallen, die Menschen zahlreiche wirksame und nebenwirkungsarme Arzneistoffe finden zu lassen, uns viel Leid ersparend im Vergleich mit der Zeit vor über 200 Jahren, als Goethe diese Verse schrieb.

Wirkungen von Pharmaka auf den Organismus: allgemeine Pharmakodynamik

F. Hofmann
Unter dem Begriff Pharmakodynamik werden die Wirkungen von Pharmaka auf den Organismus und ihre Wirkungsmechanismen zusammengefasst. Pharmaka können sowohl auf den menschlichen Organismus als auch auf Fremdorganismen wie Pharmakodynamik:allgemeineBakterien, Viren, Pilze und Protozoen sowie Würmer und andere Parasiten wirken. Unabhängig vom Wirkort – menschlicher Organismus oder Fremdorganismus – beruhen Arzneimittelwirkungen auf den Gesetzen der Chemie und Physik, wobei die meisten Wirkungen rezeptorvermittelt sind.

Rezeptorvermittelte und nicht rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen

Das klassische Rezeptorkonzept Rezeptor-vermittelte Arzneimittelwirkungengeht auf Paul Arzneimittelwirkungen:nicht rezeptorvermittelteEhrlich (1854– 1915) und John Newport Rezeptorkonzept:klassischesLangley (1852–1926) zurück. Langley erklärte die Wirkung von Nicotin und Curare Ehrlich, Paul:Rezeptorkonzeptauf die quer gestreifte Muskulatur mit ihrer Bindung an eine „Langley, John Newport:Rezeptorkonzeptreceptive substance“, die später als der Nicht rezeptor-vermittelte ArzneimittelwirkungenNicotinrezeptor der Muskelendplatte identifiziert wurde (s. S. 145). Paul Arzneimittelwirkungen:-rezeptorvermittelteEhrlich erklärte die Wirkung bakterieller Toxine auf Zellen mit einer Bindung an die „Seitenketten“ physiologisch wichtiger Moleküle. NikotinrezeptorenSpäter postulierte er für Arzneistoffe eine Bindung an „Chemorezeptoren“ und prägte 1913 den Satz „Corpora non agunt nisi fixata“, „Substanzen wirken nicht, es sei denn, sie sind gebunden“. Pharmakarezeptoren im weitesten Sinne können Enzyme, Hormon-, Neurotransmitter-, Wachstumsfaktor- und Zytokinrezeptoren, Transkriptionsfaktoren, liganden- und spannungsgesteuerte Ionenkanäle, Transporter, Strukturproteine, PharmakarezeptorenLipide, mRNA und DNA sein. Tabelle 1.1 gibt einen Überblick. Die Mehrzahl der in Tabelle 1.1 aufgeführten Pharmaka wirkt durch Bindung an ein spezifisches Protein und beeinflusst dadurch eine physiologische Funktion (rezeptorvermittelte Pharmakonwirkungen). Häufig wird der Begriff „Rezeptor“ jedoch einschränkend verwendet und umfasst dann nur membranständige und zytosolische Hormon-, Neurotransmitter-, Wachstumsfaktor- und Zytokinrezeptoren. Einige nicht rezeptorvermittelte Pharmakonwirkungen Rezeptorensind ebenfalls in Tabelle 1.1 aufgeführt.
Die klassische Unterscheidung der Pharmakonwirkungen in nicht rezeptorvermittelt und rezeptorvermittelt lässt sich bei neueren Arzneistoffen und mit zunehmender Kenntnis der molekularen Grundlagen der Wirkung häufig nicht mehr ohne Weiteres anwenden. Virustatika wie Aciclovir, mRNA-Antisense-Pharmaka, Plasmide mit der cDNA für eine Proteinsequenz (Gentherapie), Enzyme (z.B. die Proteasen der Botulinus-Neurotoxine oder der Gewebeplasminogenaktivator) oder humanisierte Antikörper1

1

Humanisierte Antikörper sind in der Maus hergestellte Antikörper, bei denen außer der antigenerkennenden Aminosäuresequenz (variable Region) alle übrigen Sequenzabschnitte (konstante Regionen) aus menschlichen Antikörpersequenzen bestehen. Dadurch wird die Immunogenität des Antikörpers (Protein) stark erniedrigt.

lassen sich nur schwer einer der beiden Kategorien zuordnen, obwohl diese Arzneistoffe nach Aufnahme in den Organismus an ein Protein („Rezeptor“) binden. Im Gegensatz zum klassischen Modell der rezeptorvermittelten Pharmakonwirkung wird aber durch diese Bindung keine direkte Pharmakonwirkung ausgelöst. Dafür zwei Beispiele:
  • Bei Aciclovir führt die durch mehrere Enzyme katalysierte Phosphorylierung des aufgenommenen Arzneistoffs Acycloguanosin (Aciclovir) zu Aciclovir:WirkprinzipAcycloguanosintriphosphat. Erst Acycloguanosintriphosphat ist der eigentliche Wirkstoff, weil es eine hohe Affinität zur Acycloguanosinviralen DNA-Polymerase hat und zum Kettenabbruch der viralen DNA führt. Die Virusspezifität von AcycloguanosintriphosphatAcycloguanosin beruht auf dem Vorkommen von viraler Thymidinkinase, die den ersten Schritt zum Acycloguanosinmonophosphat katalysiert, und auf der hohen Affinität der viralen DNA-Polymerase für das Endprodukt Acycloguanosintriphosphat.

  • Ähnlich kompliziert sind die Reaktionswege auch bei manchen älteren Pharmakonwirkungen. Die cholesterinsenkenden Statine hemmen die HMG-CoA-Reduktase, das Schlüsselenzym der Cholesterinbiosynthese (Tab. 1.1). Die cholesterinsenkende Statine:WirkprinzipWirkung kommt HMG-CoA-Reduktase-Hemmerindirekt zustande, da die Verarmung an Cholesterin in der Leber zu vermehrter Synthese von LDL-Rezeptoren und dadurch cholesterinsenkende Wirkung:Statineerhöhter zellulärer Aufnahme von LDL-Cholesterin aus dem Blutplasma führt.

In beiden Beispielen ist eine unmittelbare rezeptorvermittelte Pharmakonwirkung nicht vorhanden. Das Gemeinsame LDL-Rezeptorender beiden Pharmaka im Beispiel ist, dass sie spezifisch mit einem und nicht mit mehreren biologischen Molekülen reagieren.
Nicht selten sind die therapeutisch zugeführten Substanzen nicht die eigentlichen Wirkstoffe (s.o. Aciclovir), sondern Vorstufen (Pro-Drugs), die erst im Körper zu den Wirkstoffen aktiviert werden. So sind mit Ausnahme von Captopril und Lisinopril (Tab. 1.1) alle anderen Angiotensin-Konversions-Enzymhemmstoffe (ACE-Inhibitoren) Pro-Pro-DrugsDrugs, die erst in der Leber durch Esterasen zu den aktiven Carbonsäuren metabolisiert Angiotensin-Konversions-Enzymhemmstoffe s. ACE-Hemmer/-Inhibitorenwerden. Die Unterscheidung der „aktivierenden Enzyme“ von den arzneistoffmetabolisierenden Enzymen ist ACE-Hemmer/-Inhibitoren:Pro-Drugsfließend, da auch durch die Cytochrom P450 enthaltenden Enzyme, die klassischen arzneistoffmetabolisierenden Enzyme, pharmakologisch wirksame Metaboliten entstehen können.

Kinetik der Pharmakon-Rezeptor-Interaktion

Cytochrom-P450-EnzymeDie spezifische Bindung des Pharmakons an seinen Rezeptor ist die Voraussetzung der meisten Pharmakon-Rezeptor-Interaktion:KinetikPharmakonwirkungen. Ihre mathematische Beschreibung beruht auf dem Arzneimittelwirkungen:Pharmakon-Rezeptor-InteraktionMassenwirkungsgesetz und auf den Vorstellungen von Leonar Michaelis und Maud Menten, die 1913 postulierten, dass ein Enzym (E) zunächst eine reversible Bindung mit dem Substrat (S) eingeht. Der gebildete Enzym-Substrat-Komplex (ES) wird katalytisch in den Enzym-Metabolit-Komplex (EM) umgewandelt und zerfällt dann in das freie Enzym und das Reaktionsprodukt M:Enzym-Substrat-Komplex
Wie aus Tabelle 1.1 hervorgeht, binden viele Pharmaka an Enzyme und hemmen die Enzym-Metabolit-Komplexbiologische Enzymreaktion als kompetitiver oder nichtkompetitiver Antagonist. Für sie gelten die allgemeinen Regeln der Enzymkinetik.
Agonisten und Antagonisten
EnzymkinetikHistorisch gesehen wurde der Grundsatz der rezeptorvermittelten AntagonistenAgonistenPharmakonwirkungen an den durch Arzneimittelwirkungen:rezeptorvermitteltemembranständige Hormon- und Rezeptor-vermittelte ArzneimittelwirkungenNeurotransmitterrezeptoren vermittelten Wirkungen erarbeitet. Da diese Rezeptoren metabolisch inaktiv sind, beschränkte sich die Hormonrezeptorenformale Behandlung der Interaktion meist auf die bimolekulare Reaktion,
Neurotransmitterrezeptorenwobei k+1 und k–1 die Geschwindigkeitskonstanten für die Hin- und Rückreaktion sind. Die zugrunde liegende Vorstellung war, dass der freie Rezeptor (R) selbst inaktiv ist und erst durch Bindung des Pharmakons in eine aktive Konformation (RP) überführt wird, die ein Signal weiterleitet. In den zurückliegenden Jahren hat sich aber gezeigt, dass das bimolekulare Modell die Rezeptor-Pharmakon-Interaktion nur unvollkommen beschreibt. Die genauere Analyse der Wirkungen von Neurotransmittern und Pharmaka an ligandenaktivierten Ionenkanälen und die Überexpression von membranständigen Rezeptoren, Rezeptor-Pharmakon-Interaktiondie an trimerische GTP-bindende Proteine (G-Proteine) koppeln, ergab, dass der freie, ungebundene Rezeptor in der Regel in zwei Konformationen, R und R*, vorliegt (Abb. 1.3). Die R-Konformation des Rezeptors ist inaktiv, die R*-Konformation aktiv. Die Bindung des Pharmakons an den Rezeptor kann zwei verschiedene Reaktionen auslösen:
  • 1.

    Bindung des Pharmakons an seinen Rezeptor Rezeptoren:Konformationenaktiviert eine dem Rezeptor zugeordnete Funktion. Substanzen, die die Rezeptorfunktion aktivieren, werden als Agonisten bezeichnet.

  • 2.

    Bindung des Pharmakons an seinen Rezeptor aktiviert eine dem Rezeptor zugeordnete Funktion nicht, blockiert aber die Bindung des Agonisten und damit die Agonist-induzierte Wirkung. Substanzen mit diesen Eigenschaften werden als kompetitive Antagonisten bezeichnet.

Im Beispiel der Abbildung 1.3A wird angenommen, dass im Gleichgewicht 90% der Rezeptoren in der inaktiven Form R und 10% in der aktiven Form R* vorliegen. Der Antagonist (Antagonisten:kompetitiveBlocker, B) bindet mit gleicher Affinität an die R- und R*-Konformation und verschiebt dadurch das Gleichgewicht zwischen inaktivem und aktivem Rezeptor nicht (Abb. 1.3B). Durch Bindung an R und R* verhindert er die Bindung des Agonisten. Der Agonist (A) bindet mit hoher Affinität an R* und mit niedriger Affinität an R (Abb. 1.3C). Dadurch wird das Gleichgewicht zugunsten der aktiven Rezeptorkonformation verschoben.
Eine wesentliche Kennzahl eines Pharmakons ist demnach seine Affinität zum Rezeptor, die durch die Dissoziationskonstante KD bestimmt wird. Durch Umwandlung Kennzahl eines Pharmakonsvon Gleichung 2 ergibt sich aufgrund des Massenwirkungsgesetzes
wobei [ ]f für die freie Konzentration steht. Der KD-Wert wird Dissoziationskonstante KDin mol/L oder M angegeben. Er kann in Membranfraktionen relativ einfach bestimmt werden und eignet sich für den Vergleich der Affinität mehrerer Pharmaka für einen Rezeptor. Für viele Arzneistoffe liegt er zwischen 0,1 und 1.000 nM. Je kleiner der KD-Wert ist, desto höher ist die Affinität des Pharmakons zum Rezeptor. Gleichung 3 zeigt, dass dann, wenn die freie Konzentration des Pharmakons gleich KD ist, d.h. KD = [P]f, die Hälfte aller Rezeptoren mit Pharmakon besetzt, also [R]f = [RP] ist. Bei Anwesenheit mehrerer Liganden, z.B. eines exogenen Pharmakons und eines endogenen Neurotransmitters, bestimmen die individuellen KD-Werte die relative Sättigung des Rezeptors.
Partielle Agonisten
Bei der Untersuchung von verschiedenen Pharmaka wurde beobachtet, dass es Substanzen gibt, die selbst in hohen Konzentrationen nur eine kleine Wirkung am Rezeptor auslösen, kleiner als die Wirkung eines (Agonisten:partiellereinen) Agonisten. Man nennt sie partielle Agonisten (pA). Sie binden mit ähnlicher Affinität an R und R*, wobei aber die Affinität zu R* etwas höher ist als die zu R (Abb. 1.3D). Die relative Affinität zu R und R* bestimmt ihre intrinsische Aktivität (a), die ein Maß für ihre maximale Wirkungsstärke ist. Die Begriffe Effizienz oder efficacy werden synonym zu intrinsischer Effizienz (efficacy)Aktivität gebraucht. Ist die intrinsische Aktivität a = 1, handelt es sich um einen (reinen) Agonisten, während Agonisten:intrinsische AktivitätSubstanzen mit a = 0 an R und R* mit gleicher Affinität binden, keine intrinsische Aktivität:Agonisten, partielleeigene Wirkung hervorrufen und deswegen (reine) Antagonisten sind. Alle Substanzen, die einen a-Wert zwischen 0 und 1 haben, sind partielle Agonisten. Partielle Agonisten vermindern die Wirkung eines (reinen) Agonisten, da sie einen Teil der Rezeptoren in den inaktiven R-Zustand überführen. Die partiellen Agonisten werden deshalb auch als partielle Antagonisten bezeichnet. Partieller Agonismus spielt z.B. bei β-Adrenozeptoren eine Rolle (Kap. 4.7).
In den letzten Jahren hat sich für die abgeschwächte Wirkung von partiellen Agonisten, die an einen heptahelikalen Rezeptor binden, eine alternative Erklärung ergeben. Die <03B2>-Adrenozeptorenabgeschwächte Wirkung des pA kann auch dadurch zustande kommen, dass der pA am Rezeptor eine andere Konformation als der reine Agonist induziert, die eine weniger effiziente Aktivierung des G-Proteins auslöst, d.h., der pA induziert eine minder wirksame Form des Rezeptors.
Inverse Agonisten
Substanzen, die das Gegenteil der üblichen Agonistenwirkung bewirken, nennt man inverse Agonisten. Der inverse Agonist (iA) bindet mit hoher Affinität an R und mit niedriger Affinität an R* (Abb. 1.3E) und schiebt dadurch das Gleichgewicht noch stärker als im Grundzustand (Abb. 1.3A) zur inaktiven Agonisten:inverseRezeptorkonformation. Gut charakterisiert ist die Wirkung von Agonist, inversem Agonist und Antagonist an der Benzodiazepin-Bindungsstelle des GABAA-Rezeptors, der ein durch GABA regulierter Chloridkanal ist (Tab. 1.1 und Abb. 14.3).
  • Das Benzodiazepin Diazepam ist ein Agonist an der Benzodiazepin-Bindungsstelle. Es bindet an die Benzodiazepin-Bindungsstelle, ohne den Kanal zu öffnen, erhöht aber die Bindung von GABA und dadurch die Diazepam:WirkprinzipOffenwahrscheinlichkeit der Chloridkanäle und den GABA-regulierten Chloridstrom. Auf diesem allosterischen Mechanismus beruht die angstlösende Wirkung der Benzodiazepine.

  • β-Carboline, z.B. β-Carbolin-3-Carbonsäure-ethylester (β-CCE),Benzodiazepine:Wirkprinzip sind inverse Agonisten an der Benzodiazepin-<03B2>-Carboline:WirkprinzipBindungsstelle des GABAA-Rezeptors. Durch ihre Bindung vermindern sie die Bindung von GABA und dadurch die <03B2>-Carbolin-3-Carbonsäure-ethylester (<03B2>-CCE)Offenwahrscheinlichkeit der Chloridkanäle und den GABA-regulierten Chloridstrom. Auf diese Weise wirken sie angstverstärkend.

Sowohl die Wirkung des Agonisten Diazepam als auch die des inversen Agonisten β-CCE werden durch den reinen Antagonisten Flumazenil aufgehoben.
Rezeptorreserve
Die bisherigen Ausführungen beschränkten sich auf die Beschreibung der Interaktion zwischen Rezeptor und Pharmakon. Dabei wurde vernachlässigt, dass der Flumazenil:Antagonistaktive Rezeptor (R* und PR*) zur Signalweiterleitung einen weiteren Partner, den Effektor (E), benötigt. Der Effektor hat eine hohe Affinität zur R*- bzw. PR*-Konformation und keine oder eine geringe Affinität zur R-Konformation des Rezeptors. Gleichung (4) gibt diesen Sachverhalt wieder:Effektor:rezeptorvermittelte Pharmakawirkung
Aufgrund von Gleichung 4 sollte der Agonist (P) eine maximale Wirkung erreichen, wenn alle Rezeptormoleküle entweder als R* oder PR* vorliegen. Das setzt allerdings voraus, dass eine 1:1-Beziehung zwischen der Zahl der aktiven Rezeptoren (R* bzw. PR*) und der Stärke der Wirkung besteht. Diese Annahme gilt dann, wenn die Wirkung direkt eine Eigenschaft des Rezeptors ist, z.B. bei Enzymen und Liganden-aktivierten Ionenkanälen. Dagegen ist die Annahme nur bedingt richtig bei Hormon- und Neurotransmitterrezeptoren der Plasmamembran, die an einen Effektor, z.B. ein G-Protein, koppeln. Einer großen Zahl von aktiven Rezeptoren (R* + PR*) steht in einigen Zellen nur eine kleine Zahl von G-Proteinen zur Verfügung, durch die die Agonistenwirkung vermittelt wird. Deshalb ist es möglich, dass die maximale Wirkung durch Koppelung nur eines kleinen Teils von (R* + PR*) an den Effektor erzielt wird.
Die Rezeptoren, die nicht an der Koppelung beteiligt sind, werden als Rezeptorreserve bezeichnet. Die Rezeptorreserve kann 90% und mehr betragen. Da die Affinität des Agonisten für alle Rezeptoren R* gleich ist und nur R* und PR*-Komplexe Effektoren, d.h. G-Proteine, binden können, wird Rezeptorreservedann die maximale Wirkung des Pharmakons bereits erreicht, wenn nur 10% oder noch weniger der Rezeptoren als (R* + PR*) vorliegen. Abbildung 1.4 zeigt, dass bei einer 90-prozentigen Rezeptorreserve die Pharmakonkonzentration, die eine halbmaximale Wirkung auslöst (effective concentration, EC50), und die Konzentration, die die Hälfte der Rezeptoren besetzt (KD), 20-fach auseinanderliegen (EC50 << KD), außerdem ist die Dosis-Wirkungs-Kurve steiler als die Dosis-Bindungs-Kurve und nicht wie die letztere rotations-symmetrisch. Klinisch-pathophysiologisch hat die Rezeptorreserve erhebliche Bedeutung, da durch Variation der Rezeptorreserve die Empfindlichkeit einer Zelle gegenüber einem Pharmakon erhöht oder erniedrigt wird.
Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen
Antagonisten:Konzentrations-Wirkungs-BeziehungKonzentrations-Bindungs-Agonisten:Konzentrations-Wirkungs-BeziehungKurven wie in Abbildung 1.4 sind die Grundlage, um Konzentrations-Wirkungs-Beziehung:Agonisten/Antagonistendie Wirksamkeit und den Wirkungsmechanismus eines Stoffes zu erarbeiten. Bindungskurven werden an gereinigten Proteinen, Enzymen und Konzentrations-Bindungs-KurvenMembranbruchstücken bestimmt. Dabei ist bei derjenigen Konzentration des Agonisten oder Antagonisten, die KD entspricht, nach Gleichung 3 die Hälfte der Rezeptoren mit der Substanz A besetzt (Abb. 1.4). Bei der Wirkung auf komplexe biologische Systeme sind aber die Wirksamkeit und der Wirkungsmechanismus oft nicht direkt aus der Bindungskurve ableitbar. Für viele Arzneistoffe, z.B. für alle Pharmaka, die den Blutdruck be einflussen, ergibt sich die biologische Wirkung erst in Konzentrations-Wirkungs-Kurven an isolierten Organen im Organbad oder im Versuch am intakten Tier. Die gefäßkontrahierende Wirkung einer Substanz (z.B. des α1-Adrenozeptor-Agonisten Phenylephrin) kann im Organbad durch Messung der Kontraktion eines Blutgefäßes, z.B. eines Aortenstreifens, bestimmt werden. In <03B1>1-Adrenozeptor-AgonistenAbbildung 1.5A ist die Beziehung zwischen der Konzentration von zwei Phenylephrinblutdrucksteigernden Substanzen A und B und deren Wirkung dargestellt. Zum Vergleich der Wirksamkeit wird die EC50 herangezogen. Sie ist für Substanz B 100-mal größer als für Substanz A. EC50-Werte können für alle Wirkstoffe angegeben werden, unabhängig davon, ob es sich um Agonisten oder Antagonisten handelt.
Für Antagonisten wurde eine zweite Vergleichsgröße eingeführt, die inhibitory concentration, bei der 50% Hemmung erzielt wird (IC50). In Abbildung 1.5B ist die Wirkung eines Antagonisten C Antagonisten:inhibitory concentrationdargestellt (in unserem Beispiel etwa Prazosin, ein α1-Adrenozeptor-inhibitory concentration:AntagonistenAntagonist). Im Organbadversuch wird zunächst der Aortenstreifen durch Phenylephrin kontrahiert (100-prozentige Wirkung). Durch Zugabe von steigenden Konzentrationen des Antagonisten C wird die Kontraktion des Aortenstreifens vermindert, bis sie bei hohen Konzentrationen von C verschwunden ist. Die IC50-Werte können zum Vergleich der relativen Wirksamkeit von zwei Antagonisten dienen.
Kompetitive, nichtkompetitive und funktionelle Antagonisten
Oben wurde der kompetitive Antagonismus definiert, bei dem der Antagonist mit dem Agonisten um den gleichen Bindungsplatz am Rezeptor konkurriert. Zahlreiche Beispiele Antagonisten:kompetitivesind in Tabelle 1.1 erwähnt. Nichtkompetitive Antagonisten:nichtkompetitiveAntagonisten binden unabhängig von dem Agonisten-Bindungsplatz an den gleichen Rezeptor wie der Agonist und hemmen dadurch die Rezeptorfunktion. So blockieren manche Antagonisten am NMDA-Rezeptor, einem durch Glutamat aktivierten Kationenkanal, nicht den Glutamatbindungsplatz, sondern die Kanalpore; Beispiele sind Ketamin (Kap. 9.2.6) und Memantin (Kap. 13.2.4). Der in Abbildung 1.5B dargestellte Versuch erlaubt keine Aussage darüber, ob die Hemmung der Wirkung von Substanz A auf einem kompetitiven oder einem nichtkompetitiven Mechanismus beruht. Zur Unterscheidung wird das in Abbildung 1.6 dargestellte Verfahren verwendet. Es wird eine komplette Konzentrations-Wirkungs-Beziehung für den Agonisten A in Abwesenheit der Antagonisten D oder E und in Anwesenheit steigender Konzentrationen von D oder E registriert. Ist D ein kompetitiver Antagonist zu A, so verschiebt er die Konzentrations-Wirkungs-Beziehung von A parallel zu höheren Konzentrationen (Abb. 1.6A). Die EC50 steigt. In diesem Fall können durch Steigerung der Konzentration des Agonisten A immer 100% der Wirkung erreicht werden. Anders verhält es sich beim nichtkompetitiven Antagonisten E. In seiner Anwesenheit wird immer die maximale Wirkung des Agonisten vermindert, ohne dass sich die EC50 ändern muss (Abb. 1.6B).
Kurvenänderungen wie in Abbildung 1.6 sind aber nicht für kompetitiven bzw. nichtkompetitiven Antagonismus beweisend. Eine parallele Rechtsverschiebung kann auch resultieren, wenn zwei Agonisten, die verschiedene Rezeptoren aktivieren, entgegengesetzte Wirkungen auslösen. Man spricht dann von funktionellem Antagonismus.
Am Aortenstreifen wäre Adenosin, das über den Adenosin-A2-Antagonisten:funktionelleRezeptor relaxierend wirkt, ein funktioneller Antagonist des über α1-Adenosin:AntagonismusAdrenozeptoren vasokonstriktorisch wirkenden Adenosin-A2-RezeptorPhenylephrins. Ein weiterer funktioneller Antagonismus besteht zwischen Phenylephrin und den <03B1>1-AdrenozeptorenCalciumkanalblockern (Phenylephrin:rezeptorvermittelte WirkungAmlodipin, Nifedipin). Für eine lang anhaltende Kontraktion Kalziumkanalblocker:Antagonismuseines Widerstandsgefäßes durch den α1-Amlodipin:AntagonismusAdrenozeptor muss Calcium durch den L-Typ-Calciumkanal in Nifedipin:Antagonismusdie glatte Muskelzelle einströmen (Abb. 4.3A). Die Calciumkanalblocker hemmen diesen Calciumkanal und bringen dadurch den Gefäßmuskel zur Erschlaffung,<03B1>1-Adrenozeptoren d.h., sie sind funktionelle Antagonisten von Phenylephrin.
Irreversible Wirkungen
Die bisherigen Betrachtungen über die Kinetik der Pharmakon-Rezeptor-Interaktion gelten nur, sofern die Bindung an den Rezeptor reversibel ist, d.h., sofern das Pharmakon bei Abnahme seiner Konzentration vom Rezeptor dissoziiert (s. Gleichung 2 und 3). Für die große Mehrzahl der Arzneistoffe gilt in der Tat, dass sie sich reversibel an den jeweiligen Rezeptor binden. Manche Pharmaka verändern aber den Rezeptor durch Ausbildung einer kovalenten Bindung dauerhaft. Eine kovalente Bindung ist immer mit einer irreversiblen Bindung gleichzusetzen. So gibt es irreversible Antagonisten an kovalente BindungNeurotransmitterrezeptoren, wie z.B. Phenoxybenzamin, das α-Antagonisten:irreversibleAdrenozeptoren irreversibel blockiert (Kap. 4.5.1). Die OrganophosphatePhenoxybenzamin:Antagonismus, z.B. die Nervengase <03B1>-AdrenozeptorenTabun und Sarin, sind irreversible Inhibitoren der Cholinesterase. Organophosphate:Antagonismus, irreversiblerDurch Hemmung der Cholinesterase steigt die Konzentration von Acetylcholin an der Muskelendplatte, in Tabunparasympathisch innervierten Organen und im Gehirn an und Sarinführt zur lang anhaltenden Aktivierung der Cholinozeptoren. Ähnliches gilt für die irreversiblen Monoaminoxidase-Hemmstoffe Selegilin und Tranylcypromin, die die Konzentration von Monoaminoxidase-Hemmstoffe:AntagonismusNoradrenalin, Dopamin und Serotonin im Gehirn steigern (Kap. 4.8.2). Weitere irreversible Inhibitoren Selegilinsind TranylcyprominAllopurinol für die Xanthinoxidase und AcetylsalicylsäureAllopurinol:Antagonismus für die XanthinoxidaseCyclooxygenase. Acetylsalicylsäure acetyliert ein Serin im katalytischen Zentrum der Acetylsalicylsäure:AntagonismusCyclooxygenase-1 (Kap. 7.2.1) und inaktiviert dadurch das Enzym. Im Unterschied zu den reversibel Zyklooxygenase:Inhibitionbindenden Arzneistoffen wird die Wirkung der irreversibel bindenden erst durch Neusynthese des Enzyms bzw. des Rezeptors aufgehoben.

Pharmakonwirkungen am Menschen

Dosis-Wirkungs-Beziehung
Vor dem allgemeinen therapeutischen Einsatz eines Arzneistoffs bei Patienten muss zweierlei nachgewiesen sein: seine Wirksamkeit und die Konzentration (Dosis), bei der die Arzneimittelwirkungen:Dosis-Wirkungs-Beziehungerwünschte Wirkung eintritt. Die im Organbad oder im Tierversuch bestimmte Konzentrations-Wirkungs-Beziehung kann nicht ohne eine weitere Prüfung auf den Menschen übertragen werden. Deswegen wird bei ausgewählten Patienten die Dosis-Wirkungs-Beziehung bestimmt. Bei Kenntnis der Resorption, der Verteilung in den verschiedenen Körperkompartimenten, der Elimination und des Wirkortes ließe sich die Konzentration eines Dosis-Wirkungs-Beziehung:ArzneimittelwirkungArzneistoffs am menschlichen Rezeptor errechnen. Nur in den wenigsten Fällen liegen aber genügende Angaben zu den einzelnen Parametern vor. Deswegen wird für jeden Arzneistoff die Beziehung zwischen der Wirkung, z.B. Steigerung des Blutdrucks, und der oral zugeführten Dosis untersucht. In Organbadversuchen kann die molare Konzentration für Pharmakon A angegeben werden. Diese Konzentrationsangabe ist bei In-vivo-Untersuchungen nicht möglich. Deswegen werden die Medikamentendosen in g/kg Körpergewicht (KG) angegeben. Dabei werden statt EC50 die Kürzel ED50, ED10, ED95 benutzt. ED steht für Einzeldosis und der Index gibt die prozentuale Wirkung an. ED50 wäre also die Einzeldosis, bei der 50% der ED s. Einzeldosismaximalen Wirkung erreicht werden. Im klinischen Gebrauch wird die Angabe der Einzeldosis (ED):Dosis-Wirkungs-BeziehungMedikamentendosierung in g/kg KG selten verwendet. In der onkologischen Therapie und in der Kinderheilkunde wird meist in g/m2 Körperoberfläche dosiert (Kap. 1.5.4). In der Erwachsenentherapie wird die Dosis für ein durchschnittliches Körpergewicht von 70 kg (g/70 kg KG) angegeben.
Toxizität und therapeutische Breite
Arzneimittelwirkungen:unerwünschteMit dem bisherigen Wissen kann noch keine Therapie am Arzneimittel(therapie):ToxizitätPatienten mit Toxizitäteinem neuen Medikament begonnen werden: Als Arzneimittel(therapie):therapeutische Breitewesentlicher Parameter fehlt noch eine Aussage dazu, bei welchen Dosen der Arzneistoff unerwünschte Wirkungen auslöst.
Zunächst werden hierzu therapeutische BreiteTierversuche herangezogen. Neben der akuten Toxizität ist die chronische Toxizität einer Substanz ein wesentlicher Parameter. Ziel der Untersuchungen zur akuten Toxizität ist die Ermittlung der Toxizität:akuteGiftwirkung einer Toxizität:chronischeSubstanz bei einmaliger Applikation relativ hoher Dosen. Dabei wird oft die Dosis geschätzt, bei der 50% der Tiere sterben (LD50, letale Dosis für 50% Giftwirkung einer Substanzder Tiere). Dagegen ist das Versuchsziel bei der chronischen Toxizität, bei wiederholter Applikation relativ niedriger Dosen eines Wirkstoffs Nebenwirkungen auf verschiedene Merkmale wie LD50Körpermasse, hämatologische und klinisch-chemische Parameter, Organmassen sowie die Histologie verschiedener Gewebe zu erheben.
Hinzu kommen vor einer klinischen Prüfung die Reproduktionstoxizität, d.h. Teratogenitätsuntersuchungen, Mutagenitätsstudien, z.B. Ames-Test, und ReproduktionstoxizitätKanzerogenitätsstudien (Kap. 38.1.2). Die Versuchsmethodik der TeratogenitätKanzerogenitätsuntersuchungen ähnelt der zur Untersuchung Mutagenitätder chronischen Toxizität. Der Wirkungsnachweis erfolgt hierbei durch den Vergleich mit der spontanen Tumorinzidenz in unbehandelten Kontrollgruppen und durch Kanzerogenitätden Vergleich der Überlebenszeiten, d.h., die wesentlichen Endpunkte der Kanzerogenitätsstudien sind Tumorinzidenz und Mortalität. Diese Daten erlauben eine erste Abschätzung des Risikoprofils einer neuen Substanz.
Wie oben ausgeführt, lassen sich am Tier Dosis-Wirkungs-Kurven mit einer Maximalwirkung, der ED50 und Arzneimittel(therapie):Risikoprofilder LD50 bestimmen. Abbildung 1.7 zeigt für ein Pharmakon A die Dosis-Wirkungs-Beziehung sowohl für eine gewünschte Wirkung (ED) als auch für den Tod der ED50Versuchstiere (LD).
In dem gewählten Beispiel liegen die LD50beiden Kurven nur um eine Zehnerpotenz auseinander, d.h., 50% der Tiere sterben bereits bei einer Dosis von A, die nur 10-fach über der ED50 liegt. Eine therapeutisch wirksame Dosierung im Bereich zwischen ED75 und ED95 (rosa unterlegter Bereich in Abb. 1.7) würde zum Tod von 20–70% der Tiere führen. Bei einer Dosierung im Bereich der ED50 wären immer noch in 10% Todesfälle zu erwarten. Übertragen wir diese Daten auf den Patienten, so bedeuten sie, dass die therapeutische Breite von A, quantifiziert als LD50/ED50, gering ist. Therapeutisch nutzbar wäre Substanz A nur, wenn durch Nichtbehandlung erheblich mehr Patienten stürben, z.B. bei einem malignen Tumor, als durch therapeutische BreiteGabe von A.
Für die meisten Arzneistoffe ist nicht die Beziehung zwischen Dosis und Letalität wichtig, sondern die Beziehung zwischen der Dosis und dem Auftreten von erheblichen unerwünschten Wirkungen. Je nach Art der erheblichen unerwünschten Wirkung kann diese Beziehung am Tier oder nur am Patienten bestimmt werden. Zur Veranschaulichung: Ersetzt man in Abbildung 1.7 die Letalitätskurve gedanklich durch eine Kurve für unerwünschte Wirkungen (wobei zu berücksichtigen ist, dass Tod auch eine unerwünschte Wirkung und der Endpunkt vieler klinischer Studien ist), besagen die in Abbildung 1.7Letalitätskurve dargestellten Beziehungen, dass bei der ED50 bereits 10% der Tiere oder Patienten unter erheblichen unerwünschten Wirkungen leiden würden.
Da die Dosis-Wirkungs-Beziehung für erwünschte und unerwünschte Wirkungen oft nicht parallel verlaufen, erlaubt der therapeutische Index, der Quotient von LD5/ED95, eine bessere Abschätzung der Sicherheit einer Substanz. Je größer er ist, umso größer ist die therapeutische Breite eines Medikaments. Bezogen auf therapiebedingte therapeutischer IndexTodesfälle, liegt der therapeutische Index bei modernen Arzneistoffen bei mindestens 1000.
Der therapeutische Index wird im Wesentlichen tierexperimentell bestimmt. Sein Vorhersagewert für den Menschen ist in den letzten Jahren erheblich zurückgegangen, da Medikamente, die schwere unerwünschte Wirkungen hervorrufen können, z.B. den Tod, selten in die Therapie eingeführt werden. Statt einer kompletten Dosis-unerwünschte-Wirkungs-Kurve wird gewöhnlich beim Patienten die Zahl der unerwünschten Wirkungen bei therapeutischer Dosis registriert. Sie liegt für leichte unerwünschte Wirkungen häufig bei 1% der behandelten Patienten und für schwere unerwünschte Wirkungen erheblich niedriger. Ermittelt werden diese Zahlen in klinischen Studien der Phasen III und IV. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von erwünschten und unerwünschten Wirkungen im Verhältnis zu einer Placebo-Therapie oder einer bereits eingeführten Therapie angegeben. Statistisch gesicherte Unterschiede auf dem 5%-Niveau erfordern eine große Zahl von Patienten (häufig bis zu 10.000), die nur in multizentrischen Studien eingeschlossen werden können (Kap. 1.7).
Biologische Determinanten der Arzneistoffwirkung
Die meisten Systeme des Körpers unterliegen einem Tag-Nacht-Arzneimittelwirkungen:biologische DeterminantenRhythmus. Der übergeordnete Zeitgeber ist im Nucleus suprachiasmaticus lokalisiert, der die endogene Uhr mit Arzneimittelwirkungen:Tag-Nacht-Rhythmusdem Tag-Nacht-Rhythmus abgleicht. Früher wurde die Gabe von Tag-Nacht-Rhythmus:ArzneimittelwirkungGlucocorticoiden an den endogenen Sekretionsrhythmus angepasst, d.h., morgens wurden zwei Drittel der Tagesdosis verabreicht. Inzwischen ist dies aufgegeben worden, da ein über 24 Stunden möglichst Glucocorticoide:Applikationgleichmäßiger Arzneistoffspiegel meist wichtiger ist als die Anpassung des Spiegels an den biologischen Rhythmus. Untersuchungen hierzu werden unter dem Begriff Chronopharmakologie zusammengefasst.
Bei wiederholter Gabe eines Pharmakons kann die Wirkung allmählich abnehmen. Um eine gleich starke Wirkung zu erreichen, muss dann die Dosis fortlaufend erhöht werden. Man spricht Chronopharmakologievon der Entwicklung einer Toleranz. Sie ist reversibel, denn nach einem einnahmefreien Intervall kehrt die ursprüngliche Empfindlichkeit Arzneimittel(therapie):Toleranzzurück. Die Entstehung von Toleranz kann zwei Ursachen haben:
  • 1.

    Das Pharmakon induziert Toleranzdie verstärkte Neusynthese des inaktivierenden Enzyms und wird infolgedessen schneller eliminiert (pharmakokinetische Toleranz). Dieser Vorgang ist in der Pharmakotherapie von großer Bedeutung (Kap. 1.4.4, „Enzyminduktion“).

  • 2.

    Durch Toleranz:pharmakokinetischeEinnahme des Pharmakons wird der Rezeptor, an den das Pharmakon pharmakokinetische Toleranzbindet, oder der nachgeschaltete Reaktionsweg unempfindlicher (pharmakodynamische Toleranz). Auch diese Regulationsmöglichkeit wird bei vielen Arzneistoffen beobachtet. Sie ist besonders ausgeprägt bei der Toleranz:pharmakodynamischeMorphintoleranz, kommt aber genauso bei der Behandlung mit positiv inotrop pharmakodynamische Toleranzwirksamen Catecholaminen oder einem erhöhten Sympathikustonus vor. Grundlage ist meist eine Verminderung der Zahl oder Funktion der Rezeptoren (Desensitisierung). Die Mechanismen werden im folgenden Abschnitt besprochen.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass Arzneistoffe nicht bei allen Menschen gleich wirken. Wirkungsbestimmend sind Desensitisierung:Toleranzentwicklungunter anderem Alter, Vorerkrankungen und individuelle Genpolymorphismen. Sie beeinflussen weniger die Pharmakodynamik als vielmehr vor allem die Pharmakokinetik. Ihre Bedeutung fur Arzneistoffwirkung wird deshalb in den Pharmakokinetik-Abschnitten besprochen (GenpolymorphismenKap. 1.4.6).

Rezeptor-Signal-Transduktion

Pharmaka greifen meist modulierend in die erst teilweise verstandenen komplexen Signaltransduktionswege Arzneimittelwirkungen:Rezeptor-Signal-Transduktiondes Organismus und der Zelle ein. Diese Rezeptor-Signal-TransduktionSignalkaskaden kontrollieren Zellwachstum, Zellteilung, Metabolismus, die Sekretion von Enzymen, von Proteinen und von extrazellulären Signalmolekulen, Kontraktion, Zellmotilitat, Membranerregbarkeit Signalkaskaden:Arzneimittelwirkungund am Ende auch Gedächtnis und Gefühle.
Lipophile Pharmaka und Arzneimittel(therapie):lipophileHormone wie Gluco- und Mineralocorticoide, Testosteron, Gestagene Pharmaka:lipophileund Ostrogene, Triiodthyronin, Calcitriol, Retinoide und lipophile PharmakaFettsäuremetaboliten, die die Plasmamembran ohne Carrier passieren, binden Hormone:lipophileentweder im Zytosol oder im Kern an Transkriptionsfaktoren und regulieren die Expression spezifischer Gene (Abb. 1.8).
Viele Transkriptionsfaktorenhydrophile Arzneimittel(therapie):hydrophilePharmaka und Hormone binden an G-Protein-Pharmaka:hydrophilegekoppelte, heptahelikale hydrophile Pharmakahydrophile PharmakaRezeptoren der Plasmamembran, die durch Aktivierung eines G-Proteins einen Effektor G-Protein-gekoppelte Rezeptorenaktivieren, der ein zweites intrazelluläres Signal, einen second Rezeptoren:heptahelikalemessenger, synthetisiert (Abb. 1.8). Intrazelluläre Signalmolekule sind cAMP, cGMP, Diacylglycerol (DG), Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) und Calcium (Abb. 1.9).
Einige second messengerNeurotransmitter aktivieren ligandengesteuerte Ionenkanäle, die oft direkt oder indirekt die intrazellulare Ca2+-Konzentration erhöhen (Abb. 1.8). ligandengesteuerte Ionenkanäle s. unter IonenkanäleEinen Sonderfall stellen die Ionenkanäle:ligandengesteuerteGuanylylcyclasen dar, die als zytosolische und membrangebundene Enzyme vorkommen. Die zytosolische Guanylylcyclase wird durch NO aktiviert, wahrend die membrangebundenen Guanylylcyclasen durch Peptide wie Guanylylzyklaseatrionatriuretisches Peptid (ANP) aktiviert werden (Abb. 1.8 und im Einzelnen Abb. 1.10).
Wachstumshormone, Neurotrophine (z.B. nerve growth factor = Wachstumshormone:Rezeptor-Signal-TransduktionNGF) und NeurotrophineZytokine binden an einen Rezeptor-Signal-nerve growth factor (NGF)Transduktions-Komplex in der Plasmamembran, der aus einem NGF (nerve growth factor)extrazellulär gelegenen Rezeptorteil und einer intrazellulären Proteinkinase Zytokine:Rezeptor-Signal-Transduktionbesteht. Zu diesen Rezeptorproteinkinasen zählen Rezeptortyrosinkinasen, rezeptorassoziierte RezeptorproteinkinasenTyrosinkinasen und Rezeptor-Serin/RezeptortyrosinkinasenThreoninkinasen (Tyrosinkinasen:rezeptorassoziierteAbb. 1.11). Bindung des Agonisten führt zur Bildung von Rezeptordimeren oder -tetrameren und dadurch zur Aktivierung Rezeptorserinkinasender intrazellulären Proteinkinase. Der RezeptorthreoninkinasenInsulinrezeptor, eine Rezeptortyrosinkinase, liegt bereits in Abwesenheit von Insulin als α2β2-Tetramer vor.
Ein weitgehend gemeinsames Signalelement in allen intrazellulären Signalkaskaden sind Proteinkinasen, Insulinrezeptordie durch die zweiten Signale aktiviert werden und Tyrosin, Serin oder Threonin in regulatorischen Proteinen phosphorylieren (Abb.1.8). Ca2+ aktiviert nicht nur Proteinkinasen, sondern auch die Proteinphosphatase Calcineurin. Calcineurin und andere Proteinphosphatasen dephosphorylieren die regulatorischen Proteine. Durch die reversible CalcineurinPhosphorylierung von ProteinphosphatasenProteinen wird eine Proteine:Phosphorylierung, reversibleanpassungsfähige Steuerung zellulärer Funktionen erreicht. Zelluläre Phosphorylierung von ProteinenFunktionen werden Proteinphosphorylierung:reversiblesowohl direkt durch Änderung des Phosphorylierungsgrades von Regulatorproteinen gesteuert als auch indirekt durch Änderung des Phosphorylierungsgrades von Zellfunktionen:rezeptorvermittelte SteuerungTranskriptionsfaktoren, die die Expression spezifischer Gene regeln (Abb. 1.8).
Im Folgenden werden die Grundzüge der Signalkaskaden, die den heptahelikalen Rezeptoren, Ionenkanälen und Rezeptorproteinkinasen nachgeschaltet sind, dargestellt. Diese allgemeine Darstellung kann nur bedingt auf die verschiedenen Organsysteme übertragen werden, da die Organe für ihre unterschiedlichen Aufgaben abgewandelte, spezialisierte Signalkaskaden entwickelt haben. Nicht alle Signaltransduktionswege sind in jeder Zelle aktiv. Pharmaka, die an einen Rezeptor binden, können aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten in jeder Zelle eine andere Antwort auslösen. Deswegen müssen die hier dargestellten Prinzipien durch die in den späteren Kapiteln des Buches beschriebenen Wirkmechanismen der verschiedenen Pharmakagruppen ergänzt werden (z.B. Abb. 3.2 und Abb. 4.3Abb. 3.2Abb. 4.3).
Signaltransduktion durch heptahelikale Rezeptoren
Die Genfamilie der heptahelikalen Rezeptoren hat weit über 500 Mitglieder. Bei Nichtvertebraten Rezeptoren:heptahelikalesollen 5% aller Gene für heptahelikale Rezeptoren codieren. Strukturell gemeinsam Signaltransduktion:Rezeptorenist ihnen, dass sie sieben transmembranäre α-Helices haben und dass der Aminoterminus extrazellulär und der Carboxyterminus intrazellulär liegt. Den charakteristischen sieben Transmembranhelices verdanken sie ihren Namen. Kleine, teilweise hydrophobe Liganden binden meist innerhalb der Lipidschicht in einer Tasche, die durch die Transmembranhelices gebildet wird. Stark hydrophile Liganden wie Glutamat und Peptidhormone binden an den extrazellulären Teil.
Heptahelikale Rezeptoren koppeln auf der Innenseite der Plasmamembran an trimerische GTP-hydrolysierende Proteine, kurz G-Proteine genannt (Abb. 1.8). Sie werden deshalb auch als G-Protein-gekoppelte Rezeptoren bezeichnet.
G-Proteine bestehen aus drei G-ProteineUntereinheiten, einer α-Untereinheit, die GTP bindet und zu GDP hydrolysiert, und der β- und der γ-Untereinheit. Im inaktiven Zustand hat der G-Protein-gekoppelte Rezeptorentrimere Komplex GDP gebunden. Nach Bindung eines Agonisten beschleunigt der Rezeptor den Austausch von GDP durch GTP an der α-Untereinheit im Gαβγ-Komplex. Nach dem Austausch von GDP durch GTP dissoziiert der Gαβγ-GTP-Komplex in die Gα-GTP- und die Gβγ-Untereinheit, die jeweils unabhängig verschiedene membranständige Effektoren aktivieren (Abb. 1.8). Durch die GTPase-Aktivität der Gα-Untereinheit wird GTP zu GDP hydrolysiert. Die Gβγ-Untereinheit reassoziiert dann mit Gα-GDP und inaktiviert damit die Signaltransduktion. Die Hydrolyse von GTP kann beschleunigt werden durch eine Familie von Proteinen, die als Regulatoren der G-Protein-Signaltransduktion (G-Protein-Signaltransduktion:Regulatoren (RGS)RGS)G-Protein-Signaltransduktion:Regulatoren (RGS) bezeichnet werden (Abb. 1.8). Die G-Proteine sind also Relaismoleküle,Regulatoren der G-Protein-Signaltransduktion (RGS) die durch ihre Gα- und Gβγ-Untereinheiten eine Information auf getrennte RGS (Regulatoren der G-Protein-Signaltransduktion)Effektoren übertragen. Der Übertragungsvorgang inaktiviert sich innerhalb von wenigen Sekunden durch die Hydrolyse des GTP von selbst.
Zellen besitzen in aller Regel nicht nur mehrere verschiedene heptahelikale Rezeptoren, die G-Proteine aktivieren, sondern auch mehrere verschiedene trimerische G-Proteine. Sie werden nach ihren α-Untereinheiten in Klassen eingeteilt. Aktivierung von G-Proteinen reguliert die Aktivität verschiedener Effektoren, z.B. Phosphodiesterase 6, Adenylylcyclasen, die Phospholipasen A2, C und D, rezeptorregulierte Kaliumkanäle, neuronale Calciumkanäle, Phosphatidylinositol-3-Kinase und das monomerische (kleine) G-Protein Rho. Abbildung 1.12 gibt einen Überblick.
  • Gαt, auch Transducin genannt, ist essenziell für die Lichtwahrnehmung im Auge (Abb. 1.12). Gαt stimuliert die Phosphodiesterase (PDE 6)Transducin, die in der Retina cGMP hydrolysiert. Dadurch kommt es zur Schließung des CNG-Kanals im Außensegment von Zapfen und Stäbchen. Die folgende Membranhyperpolarisation und die Phosphodiesterase (PDE):SignaltransduktionAbnahme der intrazellulären Calciumkonzentration werden als elektrisches Signal weitergeleitet und verursachen schlussendlich in der Sehrinde die Wahrnehmung eines Bildes.

  • Gαolf stimuliert die Adenylylcyclase des Riechepithels. Das gebildete cAMP aktiviert im Riechepithel einen CNG-Kanal und führt zur Depolarisation der Riechzelle. Die Weiterleitung des Signals in den Bulbus olfactorius führt Adenylylzyklase:Signaltransduktionzur Geruchswahrnehmung.

  • Gαs stimuliert die Adenylylcyclase ubiquitär und erhöht dadurch die cAMP-Konzentration. Mit Ausnahme des Seh- und Riechorgans wird durch cAMP eine cAMP-abhängige Proteinkinase aktiviert, die verschiedenste Proteine an Serin oder Threonin phosphoryliert und dadurch eine Konformationsänderung bzw. Aktivitätsänderung bewirkt.

  • Gαi hemmt die Adenylylcyclase.

  • Dagegen hat die Gβγ-Untereinheit, die in vielen Zellen durch Aktivierung von Gi und Go freigesetzt wird, mehrere Partner wie acetylcholinregulierte Kaliumkanäle (K+(ACh)-Kanäle), neuronale acetylcholinregulierte Kaliumkanälespannungsgesteuerte acetylcholinregulierte KaliumkanäleCalciumkanäle, die Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K)Kaliumkanäle:acetycholinregulierte und die Phospholipase-C(PLC)-Kalziumkanäle:spannungsgesteuerteIsoenzyme β2 und β32

    2

    Phospholipase C ist der übergeordnete Begriff für Enzyme, die die Glycero-Phosphat-Bindung in Glycerophospholipiden oder die Sphingosin-Phosphat-Bindung in Sphingophospholipiden spalten. Phospholipasen C, die spezifisch die Phosphoinositide hydrolysieren, werden als PI-PLC bezeichnet. Sie bilden eine Enzymfamilie, zu der die verwandten Unterfamilien PLCβ (β1, β2, β3, β4) und PLCγ gehören. Die Aktivität der PLCβ-Isoformen wird durch G-Proteine, die Aktivität der PLCγ durch Phosphorylierung von Tyrosin durch Rezeptortyrosinkinasen reguliert.

    . Bindet Gβγ an PLCβ, so kommt es zur Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K)Hydrolyse von Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2)Phospholipase C (PLC):Isoenzyme zu Diacylglycerol (DG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3).Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2):Hydrolyse DG aktiviert verschiedene Isoenzyme der Proteinkinase C (PKC)IP3 (Inositol-1,4,5-trisphosphat).. IP3 setzt Calcium aus intrazellulären Speichern frei. Die Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3).Aktivierung der PI3K führt durch Phosphorylierung der Inositol-3-Hydroxylgruppe in PIP2 zur Bildung von PI3,4,5P3. PI3,4,5P3 ist Proteinkinase C (PKC)der membrangebundene Bindungspartner, an den die Phosphatidylinositol-abhängige Proteinkinase 1 (PDK1) und Proteinkinase B (PKB oder AKT genannt) binden. Durch die Membranlokalisation wird PDK1 aktiviert. PDK1 phosphoryliert PKB,Phosphatidylinositol-abhängige Proteinkinase (PDK) die dadurch und durch Phosphorylierung mittels einer weiteren Proteinkinase aktiviert wird. PKB reguliert multiple Proteinkinase B (PKB)Zellfunktionen, unter anderem ist sie in die antiapoptotische Zellregulation eingebunden (Abb. 1.12).

  • Gαq und Gα11, die Gα-Untereinheiten der G-Proteine Gq und G11, aktivieren die Isoenzyme β1 und β4 der PLC, wodurch ebenfalls die Bildung von DG und IP3 mit nachgeschalteter Freisetzung von Calcium gesteigert wird (Abb. 1.12).

  • Dagegen aktivieren Gα12 und Gα13 das kleine GTP-bindende und -hydrolysierende Protein Rho. Hierbei kommt es wiederum zum Austausch von GDP durch GTP. Rho-GTP stimuliert die Rho-Kinase, die unter anderem in vielen Zellen bewirkt, dass die Rho-GTPMyosinphosphatase phosphoryliert und inaktiviert wird. Dies führt zu einer verstärkten Phosphorylierung der leichten Kette des Myosins und zu einer Rho-Kinaseerhöhten Kontraktilität des Zytoskeletts und des glatten Gefäßmuskels.

Signaltransduktion durch ligandengesteuerte Ionenkanäle
Ligandengesteuerte IonenkanäleIonenkanäle:ligandengesteuerte werden auch Signaltransduktion:ligandengesteuerte Ionenkanäleals ionotrope ligandengesteuerte Ionenkanäle:SignaltransduktionRezeptoren bezeichnet. Ihr Öffnen und Ionenkanäle:ligandengesteuerteSchließen wird durch Bindung von Hormonen oder Neurotransmittern reguliert.
Im Beispiel der Abbildung 1.13 ionotrope Rezeptorenwird der Rezeptoren:ionotropeNicotinrezeptor durch Acetylcholin aktiviert, worauf Natrium in die Zelle einströmt. Der Anstieg der subplasmalemmalen Natriumkonzentration depolarisiert die Membran lokal und öffnet spannungsgesteuerte NikotinrezeptorenNatriumkanäle, die die Depolarisation entlang der gesamten Membran ausbreiten und dadurch spannungsgesteuerte Calciumkanäle Natriumkanäle:spannungsgesteuerteöffnen. Durch den Einstrom von Calcium und unter Umständen zusätzlich über eine calciuminduzierte Calciumfreisetzung aus dem endo- bzw. sarkoplasmatischen Retikulum kommt es zum Kalziumkanäle:spannungsgesteuerteAnstieg der zytosolischen Calciumkonzentration. Das zytosolische Calcium wiederum bindet an calciumspezifische Rezeptoren wie Kalium- oder Chloridkanäle, Calmodulin, Troponin C oder Ca2+-ATPasen und führt über recht komplizierte Signaltransduktionswege zur Expression spezifischer Gene, zur Sekretion von Neurotransmittern, Hormonen und anderen Proteinen oder zur Kontraktion des Herz-, Skelett- und Ca2+-ATPasenglatten Muskels.
Die bisher beschriebene Signalkaskade würde keine optimale Regulation zellulärer Funktionen erlauben: Durch eine einmalige Erregung wird die Zellmembran depolarisiert, und die spannungsgesteuerten Natrium- und Calciumkanäle werden nach kurzer Öffnung inaktiviert. Die Zelle kann erst wieder erregt werden, wenn die Membranspannung zu negativen Potentialen zurückgekehrt ist. Bei negativem Membranpotential werden die Natrium- und Calciumkanäle in den geschlossenen Zustand überführt, von dem aus sie wieder geöffnet werden können. Eine Vielzahl von Regulationsmöglichkeiten dient dazu, die Membran zu repolarisieren. Neurotransmitter können die Membran nicht nur erregen, sondern auch weniger erregbar machen, indem sie Chloridkanäle Neurotransmitter:Signaltransduktionaktivieren (GABAA-, Glycinrezeptor). Durch das einströmende Chlorid wird die Membran hyperpolarisiert und die Erregungsausbreitung gehemmt (Abb. 1.13).
Die Chloridkanäle:AktivierungÖffnung von Kaliumkanälen ist eine weitere wesentliche Steuerungsmöglichkeit (Abb. 1.13). Kaliumkanäle bilden eine sehr große Genfamilie. Einzelne Mitglieder werden durch das Membranpotential, durch Ca2+, durch die Gβγ-Untereinheit der G-Kaliumkanäle:spannungsgesteuerteProteine (Abb. 1.12), durch das ATP/ADP-Verhältnis oder durch eine Kombination dieser Faktoren reguliert. Die durch Natrium bewirkte Depolarisation öffnet spannungsgesteuerte Kaliumkanäle direkt (G-Proteine:Untereinheiten Abb. 1.13). Der Anstieg der zytosolischen Calciumkonzentration öffnet calciumaktivierte Kaliumkanäle (Abb. 1.13). So wird die Membran repolarisiert, und die Natrium- und Calciumkanäle, die während der Depolarisation inaktiviert wurden, werden in die geschlossene Konformation überführt. Die geschlossenen Kanäle können durch erneute Depolarisation wieder geöffnet werden, d.h., durch die Repolarisation der Zellmembran ist die Zelle wieder erregbar geworden.
Acetylcholin kann nicht nur durch Öffnung des Nicotinrezeptors erregen, sondern auch durch Aktivierung eines Muscarinrezeptors hemmen (Abb. 1.13). Acetylcholin:SignaltransduktionMuscarinrezeptoren sind heptahelikale Rezeptoren. Bindung von Acetylcholin aktiviert Go- und Gi-Proteine und führt zur Freisetzung ihrer Gα- und Gβγ-Untereinheiten. Die Gβγ-Untereinheiten Muskarinrezeptoren:Signaltransduktionbinden an die G-Protein-regulierten K+(ACh)-Kanäle (s.o.) und öffnen sie. Durch die folgende Hyperpolarisation der Membran werden spannungsabhängige Calciumkanäle geschlossen, der zytosolische Calciumspiegel sinkt durch die gleichzeitige Aufnahme von Calcium in die Speichervesikel, und die Aktivierung der Signalkaskade wird beendet.
Signaltransduktion durch Rezeptorproteinkinasen
Eine Einteilung der Rezeptorproteinkinasen wurde bereits oben gegeben (Abb. 1.11). Eine wesentliche Funktion dieser Signaltransduktion:RezeptorproteinkinasenSignaltransduktionswege ist die Regulation von Zellproliferation und Zelldifferenzierung, die Rezeptorproteinkinasen:Signaltransduktiondurch die Transkription spezifischer Gene gesteuert werden. Es gibt mehrere intrazelluläre Kaskaden, die zwischen der Plasmamembran und dem Kern Signale übermitteln. Die Rezeptortyrosinkinasen bedienen sich der Ras-Kaskade, die rezeptorassoziierten Tyrosinkinasen der Jak/Ras-Kaskade:RezeptortyrosinkinasenStat-Tyrosinkinasen:rezeptorassoziierteKaskade und die Rezeptor-Serin-/,,Stat-Kaskade:RezeptortyrosinkinasenJak-Kaskade:RezeptortyrosinkinasenThreoninkinasen der Smad-RezeptorserinkinasenKaskade (Abb. 1.14).
Zwei Rezeptorthreoninkinasenweitere, in Abbildung 1.14 nicht gezeigte, Membran-Kern-Smad-Kaskade:Rezeptorserin-/threoninkinasenSignalkaskaden werden durch Smad-KaskadeNFκB und Caspasen vermittelt. Die Aktivierung Membran-Kern-Signalkaskadenvon NFκB führt nach seiner Translokation NF<03BA>B:Signaltransduktionin den Kern zur Expression von Genen, die bei Entzündungen aktiviert werden. Caspasen:SignaltransduktionDie Aktivierung von Caspasen durch sogenannte Death-Liganden und -NF<03BA>BRezeptoren löst den geregelten Zelltod (Apoptose) aus.
Interaktion von Signalkaskaden
Bisher wurden in diesem Abschnitt die Death-Liganden/-Rezeptorenverschiedenen Signaltransduktionswege meist getrennt dargestellt. Eine solche Trennung gibt es in einer lebenden Zelle nicht. Die verschiedenen Signalkaskaden:InteraktionSignaltransduktionswege beeinflussen sich gegenseitig, wobei sie sich verstärken oder abschwächen können. Dieser Crosstalk ist für die Signaltransduktion:InteraktionenZelle notwendig, um die Information von verschiedenen extrazellulären Signalen zu einer adäquaten Zellantwort zu verarbeiten. Ein Beispiel war die Interaktion zwischen hemmenden Crosstalk:SignaltransduktionMuscarin- und erregenden Nicotinrezeptoren (Abb. 1.13). Andererseits kann ein und derselbe Signalweg auch durch unterschiedliche Rezeptoren aktiviert werden. Dies soll am Beispiel des Stoffwechsels von Phosphatidylinositol und seiner Beeinflussung durch heptahelikale Rezeptoren einerseits und Rezeptortyrosinkinasen (RTK) andererseits erläutert werden (Abb. 1.15).
Der Anteil von Phosphatidylinositol (PI), der Vorstufe für alle Phosphoinositole, an den Gesamtlipiden der Zellmembran liegt bei unter 10%. Ungefähr 5% des PI ist Phosphatidylinositol-4,5-Phosphatidylinositol (PI)bisphosphat (PIP2). Weniger als 0,25% aller Inositol PIP2 (Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat)enthaltenden Phospholipide sind in 3-Position des Inositolrings phosphoryliert. PIP2 wird Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2)durch Phospholipase C (PLC) Inositol zu DG und IP3 hydrolysiert (Abb. 1.15 links), während Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K) durch Phosphorylierung in 3-Position PLC (Phospholipase C)zur Bildung von Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat (Phospholipase C (PLC)PI3,4,5P3) führt (Abb. 1.15 rechts). Die Bedeutung von PI3,4,5P3 liegt darin, dass es die Anlagerung der Proteinkinase B (PKB)Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat (PI3,4,5P3) an die Membran und ihre Phosphorylierung durch phosphatidylinositol-dependent protein kinase Proteinkinase B (PKB)1 (PDK1)PKB (Proteinkinase B) und eine weitere Proteinkinase ermöglicht. Die Phosphorylierung PDK (Phosphatidylinositol-abhängige Proteinkinase)aktiviert die PKB, durch die zahlreiche wachstumsrelevante Prozesse reguliert werden. PIP2 ist also das Phosphatidylinositol-abhängige Proteinkinase (PDK)Zielmolekül für die PLC und die PI3K.
Diese beiden regulatorischen Enzyme, PLC und PI3K, kommen nun in mehreren Isoenzymformen vor, die jeweils durch heptahelikale Rezeptoren/G-Proteine (Gβγ bzw. Gαq) und durch Rezeptortyrosinkinasen aktiviert werden können: Die Signalwege der heptahelikalen Rezeptoren und der Rezeptortyrosinkinasen konvergieren auf dieselben Ziele (Abb. 1.15). Die Ausstattung einer Zelle mit drei PLC-Isoenzymen (Gβγ-, Gαq- und RTK-reguliert) und mindestens zwei PI3K-Isoenzymen (Gβγ- und RezeptortyrosinkinasenRTK-reguliert) variiert von Organ zu Organ. Nicht nur die zellspezifische Ausstattung mit diesen Isoenzymen, sondern auch das zellspezifische Vorkommen von Isoenzymen der nachgeordneten Signalkaskaden wie PKC (es gibt über 10 verschiedene Isoenzyme der PKC) ermöglicht, dass in verschiedenen Zellen durch die Aktivierung dieser zwei Enzymfamilien unterschiedliche Funktionen gesteuert werden.
Desensitisierung von heptahelikalen Rezeptoren
Längere Aktivierung von heptahelikalen Rezeptoren führt regelmäßig zur Abnahme der Rezeptorantwort, d.h., der Rezeptormechanismus wird unempfindlich, Rezeptoren:heptahelikaleer desensitisiert. Zahlreiche Mechanismen regeln auf verschiedenen Ebenen – Desensitisierung:RezeptorenTranskription, Translation oder Rezeptorproteinabbau – die Zahl der Rezeptoren und damit die Stärke der Antwort (Herauf- oder Herunterregelung, Up- oder Down-Regulation). Damit wird die Rezeptorkonzentration langfristig an den Bedarf des Organismus angepasst. Diese Anpassungregulation benötigt Stunden bis Tage. Zusätzlich gibt es drei weitere Regulationen, die innerhalb von Sekunden bis Minuten stattfinden. Beteiligt sind daran die durch ein zweites Signal (einen Second Messenger) regulierten Proteinkinasen (cAMP-Kinase, PKC), die G-Protein-gekoppelten Rezeptorkinasen (GRK) und die Arrestine (Abb. 1.16).
  • 1.

    Phosphorylierung des Rezeptors durch die zugehörige Effektorkinase. Als Beispiel dient der β2-Adrenozeptor. Die zugehörige Rezeptoren:PhosphorylierungEffektorkinase ist die cAMP-Kinase (PKA). Wenn sie aktiviert ist, phosphoryliert sie (außer anderen Adrenozeptoren:<03B2>2-AdrenozeptorZielproteinen) den β2-Adrenozeptor an einem Serin in der dritten zytoplasmatischen Schleife und im C-Terminus (Abb. 1.16). Durch cAMP-Kinase (PKA)diese Phosphorylierung wird die Konformation des Rezeptors so geändert, dass seine Interaktion mit dem Gs-Protein vermindert und die Interaktion mit Gi erhöht wird. Durch die Bindung von Gi wird die katalytische Aktivität der Adenylylcyclase gehemmt. Analoges gilt für Gq-gekoppelte Rezeptoren, die die PKC aktivieren: Die PKC phosphoryliert und inaktiviert Gq-gekoppelte Rezeptoren. In beiden Fällen werden durch die cAMP-Kinase bzw. die PKC alle Rezeptoren phosphoryliert, die den cAMP-Kinase- bzw. PKC-Signalweg aktivieren. Die Phosphorylierung durch die Effektorkinasen ermöglicht also sowohl eine homologe Desensitisierung als auch eine Kreuz- oder heterologe Desensitisierung von Rezeptoren.

  • 2.

    Phosphorylierung des Rezeptors durch eine spezifische G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase (GRK). Dies ist der wesentliche Mechanismus, der zu einer schnellen, agonist- und rezeptorspezifischen Desensitisierung von aktivierten heptahelikalen Rezeptoren führt. Er benötigt G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase (GRK)zwei Schritte (Abb. 1.16):

  • 3.

    An die R*- bzw. AR*-Konformation des Rezeptors (Kap. 1.2.2) bindet eine rezeptorspezifische GRK, im Falle des β2-Adrenozeptors β-Adrenozeptor-Kinase (= βARK), und phosphoryliert den Rezeptor. Die Phosphorylierung des β2-Adrenozeptors durch βARK erhöht seine Affinität für das zytoplasmatische Protein β-Arrestin 10- bis 30-fach.

  • 4.

    Die Bindung von β-Arrestin verhindert sterisch die Bindung und Aktivierung von Gs. Der entscheidende Schritt dieser Regulation, die Aktivierung der GRK, erfolgt durch eine Interaktion des Enzyms mit Gβγ und PIP2. Ihrer Spezifität <03B2>-Arrestinwegen vermitteln die GRKs nur eine homologe Desensitisierung.

  • 5.

    Intrazelluläre Sequestrierung des Rezeptors. Dabei wird der Rezeptor durch Verlagerung ins Desensitisierung:homologeZellinnere der Wirkung des Agonisten entzogen (Abb. 1.16). Bei einigen, aber nicht allen Rezeptoren erfolgt die Rezeptoren:SequestrierungSequestrierung nach der Bindung von β-Arrestin. β-Arrestin bindet auch an Clathrin, ein Membranprotein, das die Endozytose des Rezeptors fördert. Nach endozytotischer Aufnahme wird der Rezeptor-β-Arrestin-Komplex im sauren Milieu des Vesikels dephosphoryliert. Hierdurch dissoziieren β-ClathrinArrestin und der Ligand vom Rezeptor, und der Rezeptor kann in die Plasmamembran zurückkehren. Der wieder eingebaute Rezeptor besitzt die ursprüngliche Affinität für Agonist und G-Protein und kann nach Aktivierung durch einen Agonisten wieder eine normale Zellantwort auslösen.

Medizinische Gentechnologie und Gentherapie

U. Förstermann und H. Kleinert

... the whole business was like a child's toy that you could buy at the dime store, all built in this wonderful way that you could explain in Life Magazine so that really a five-year-old can understand what's going on ... This was the greatest surprise for everyone.

Max Delbrück (1906–1981) über Genetik

Klassische Pharmaka (mit Ausnahme antimikrobieller Substanzen und Zytostatika) greifen im Wesentlichen an vier präexistenten Proteinstrukturen menschlicher Zellen an (Kap. 1.2.1):
  • an GenetikRezeptoren für Hormone und Neurotransmitter (z.B. Antihypertensiva, Neuroleptika, Tranquillantien, Opiatanalgetika, Histamin-H2-Rezeptor-Antagonisten, Steroidhormone)

  • an Ionenkanälen (z.B. Lokalanästhetika, Calcium-Antagonisten, Antiepileptika)

  • an Transportern (z.B. Diuretika, Antidepressiva, Cocain) oder

  • an Enzymen (nichtsteroidale Analgetika/Antiphlogistika, Protonenpumpen-Inhibitoren, Herzglykoside, Statine).

Sind jedoch diese Proteine selbst defekt oder fehlen sie gar, so ist mit klassischen Pharmaka kein therapeutisches Ergebnis erzielbar. Hier haben in den letzten drei Jahrzehnten die Fortschritte der Molekularbiologie und Gentechnologie die Behandlungsmöglichkeiten der Medizin deutlich erweitert. So werden heute nicht nur zahlreiche Arzneistoffe gentechnisch hergestellt, die moderne Gentechnologie erlaubt es auch, defekte Gene im Organismus zu ersetzen oder unerwünschte Genprodukte auszuschalten.
Geschichte
Als Geburtsjahr der GentechnologieGentechnologie gilt das Jahr 1973. Damals gelang es Stanley Cohen (University of California, San Francisco) und Herbert Gentechnologie:GeschichteBoyer (Stanford University) erstmals, mittels eines Plasmids ein Gen von einem Organismus in einen Cohen:Stanleyanderen zu transferieren. Sie verwendeten hierzu spezielle Enzyme, die Desoxyribonukleinsäure (DNA) schneiden, Boyer:Herbertund andere, die sie wieder verbinden (sog. Restriktionsendonukleasen und Ligasen). Diese waren ein Jahr zuvor von der Gruppe von Paul Berg (Stanford University) beschrieben worden. Diese Arbeiten legten den Grundstein für die heutige gentechnische Herstellung rekombinanter humaner Proteine. Im Jahr 1978 nutzten Wissenschaftler die Gentechnik erstmals, um Bakterien (Escherichia coli) in „Miniatur-Arzneimittelfabriken“ zur Produktion von menschlichem Insulin zu verwandeln. Dieses erste gentechnisch hergestellte (rekombinante) Insulin kam im Jahr 1982 auf den Markt und machte Diabetespatienten von dem bislang aus Bauchspeicheldrüsen von Schweinen und Rindern gewonnenen Insulin unabhängig.

Gentechnisch hergestellte Arzneistoffe (Proteine)

Insulin:gentechnisch hergestelltesEnde des Jahres 2011 waren in Deutschland etwa 147 gentechnisch hergestellte Arzneimittel mit etwa 110 verschiedenen Wirkstoffen zugelassen. Zur großtechnischen Herstellung dieser Proteine Arzneimittel(therapie):gentechnisch hergestelltewerden Bakterien (meist Escherichia Proteine:gentechnisch hergestelltecoli) mit einem geeigneten Expressionsvektor transfiziert. Sie exprimieren dann das gewünschte Gen und produzieren das entsprechende Protein. Gelingt die Expression in Escherichia coli:GentechnologieBakterien nicht oder stellen Bakterien kein korrekt gefaltetes oder modifiziertes Protein her, so exprimiert man das gewünschte Gen in Hefen oder kultivierten Säugerzellen. Die Molekularbiologie erlaubt Bakterien:Gentechnologiedarüber hinaus, humane Proteine zur Erhöhung ihres therapeutischen Nutzens zu verändern, man spricht von „Muteinen“ (mutierten Proteinen). Man kann auch chimäre Proteine herstellen (z.B. Proteine mit Anteilen von MuteineMaus und Mensch).
Zu den wichtigsten gentechnisch produzierten Proteine:mutierteWirkstoffen zählen heute:
  • Humaninsuline einschließlich Insulin Proteine:chimärelispro (Humalog®)

  • Glucagon

  • Hypophysenhormone: Gonadotropine, Somatotropin, Thyrotropin

  • Erythropoietin = Insulin lisproEpoetin-α und -Humalog® s. Insulin lisproβ

  • Zytokine und Wachstumsfaktoren für Blutzellen: Interferon-α, -β und -γ; Interleukin-2; „granulocyte colony-stimulating factor“; „granulocyte-macrophage colony-stimulating factor“ u.Epoetin- <03B1> und - <03B1>a.

  • Fibrinolytika, Gewebeplasminogenaktivatoren: t-PA, Alteplase (Actilyse®) sowie mutierte Plaminogenaktivatoren, wie r-PA, Reteplase (AlteplaseRapilysin®); TNK-tPA, Actilyse® s. AlteplaseTenecteplase (ReteplaseMetalyse®), n-PA, Rapilysin® s. ReteplaseLanoteplase

  • menschliche Gerinnungsfaktoren (Faktoren VII, TenecteplaseVIII und IX)

  • der Thrombozytenaggregationshemmer Metalyse® s. TenecteplaseAbciximab (LanoteplaseReoPro®)

  • Impfstoffe (Hepatitiden A, B und C, Diphtherie, Tetanus, Pertussis, Polio u.a.)

  • humanisierte oder vollständig Abciximabhumane monoklonale Antikörper (Kap. 16), z.B. ReoPro® s. AbciximabInfliximab (Remicade®) zur Hemmung der überschießenden Aktivität von TNF-α bei chronisch inflammatorischen Erkrankungen, z.B. InfliximabTrastuzumab (Remicade® s. InfliximabHerceptin®) zur Behandlung des Mammakarzinoms und Palivizumab (TrastuzumabSynagis®) zur Prophylaxe Herceptin® s. Trastuzumabder „respiratory syncytial virus“(RSV)-Infektion bei Frühgeborenen und immungeschwächten Säuglingen

  • Palivizumabrekombinant hergestellte endogene Antagonisten gegen Zytokin-Synagis® s. PalivizumabRezeptoren wie Anakinra (Kineret™) als kompetitiver Interleukin-1-Rezeptor-Antagonist

  • Fusionsproteine als Anakinra„Decoy“-(„Köder“)-Rezeptoren zum Abfangen Kineret™ s. Anakinravon Zytokinen wie Etanercept (Decoy-Rezeptoren:GentechnologieEnbrel®, Abfangen von TNF-α) oder zur Hemmung der Interaktion von Immunzellen wie Abatacept (EtanerceptEnbrel® s. EtanerceptOrencia®, hemmt die Aktivierung von T-Zellen).

Nukleinsäure-Therapeutika

Nukleinsäure-AbataceptTherapeutika wirken (ähnlich Orencia® s. Abataceptwie klassische Pharmaka), ohne das Erbgut des Patienten zu verändern. Die zurzeit eingesetzten oder in Erprobung befindlichen Nukleinsäure-Therapeutika sind entweder Nukleinsäure-TherapeutikaPlasmide (sich autonom vermehrende „Minichromosomen“), die therapeutisch nutzbare Gene enthalten, oder kurzkettige DNA- oder RNA-Moleküle (sogenannte Oligonukleotide).
Plasmid-basierende Nukleinsäure-Therapeutika
Plasmide:Nukleinsäure-TherapeutikaInjiziert man Säugetieren intramuskulär Plasmide, die z.B. Gene für Proteine humanpathogener Viren unter der Kontrolle eukaryoter Promotoren enthalten, so kann man in den Tieren Nukleinsäure-Therapeutika:plasmid-basierendedie Bildung von Antikörpern gegen diese Proteine nachweisen. Diese sogenannte DNA-Vakzinierung bietet die faszinierende Möglichkeit, gegen humanpathogene Erreger zu impfen, ohne die Gefahr des Einsatzes abgeschwächter Erreger einzugehen. Daher werden zurzeit verschiedene klinische Studien (Ende DNA-Vakzinierung2011 > 400) mit DNA-Vakzinen gegen humanpathogene Erreger (HIV; Hepatitis-C-Viren, Genitalwarzenviren, Herpesviren, Malariaplasmodien oder Mycobacterium tuberculosis), aber auch gegen Onkoproteine durchgeführt.
Das Phänomen, dass insbesondere Skelettmuskelzellen nach DNA-Injektion zur Expression von Proteingenen in der Lage sind, wird auch zur Expression therapeutischer Proteine ausgenutzt. So enthält das (nicht für den Menschen zugelassene) Präparat Repoxygen™ das Gen des humanen Erythropoietins unter der Kontrolle eines hypoxiesensitiven Promotors. Der hypoxiesensitive Promotor wird bei Hypoxie angeschaltet und führt dann zur Erythropoietin-Synthese. Repoxygen™ Repoxygen™wurde als Therapeutikum gegen Anämie entwickelt, doch besteht der Verdacht, dass es auch als „Gendoping“-Mittel eingesetzt wurde und wird (Kap. 4.11.2)
Therapeutische Oligonukleotide
Die zurzeit eingesetzten therapeutischen Oligonukleotide sind kurzkettige DNA- oder RNA-Moleküle, die aus Nukleinsäure-Therapeutika:OligonukleotideEinzel- oder Doppelsträngen von 20–50 Nukleotiden bestehen. Therapeutische Oligonukleotide werden nach Struktur und Wirkung in folgende Oligonukleotide:therapeutischeGruppen eingeteilt:
  • Antisense-Oligonukleotide

  • Antagomire, Antisense-Oligonukleotide gegen microRNAs

  • RNA-Interferenz, Gensuppression mittels siRNAs

  • Ribozyme/DNAzyme

  • siRNAs

  • Aptamere

  • immunstimulatorische Oligonukleotide (CpG-Oligonukleotide).

Die verschiedenen Oligonukleotid-Ansätze ermöglichen es, gezielt sowohl die pathologische Überexpression eines Proteins zu reduzieren als auch eine Unterexpression zu verstärken. Ende 2011 waren mit dem Antisense-Oligonukleotid Fomivirsen (Vitraven®) und dem Aptamer Pegaptanib (FomivirsenMacugen®) in Europa zwei Oligonukleotide als Vitraven® s. FomivirsenArzneimittel zugelassen.
Antisense-Oligonukleotide
Während bei der Gentherapie Pegaptanibzusätzliche genetische Information in die Zelle eingefügt wird, Macugen® s. Pegaptanibzielt die Anwendung von Antisense-Oligonukleotiden auf eine spezifische Hemmung der Bildung von Zielproteinen. Als Antisense-Oligonukleotide bezeichnet man kurze DNA- oder RNA-Fragmente (15 bis 25 Bausteine), die aus der komplementären Antisense-OligonukleotideSequenz einer mRNA bestehen. Es ist auch möglich, die Antisense-Sequenzen in den Zielzellen selbst von eingeschleusten Genen synthetisieren zu lassen. Gelingt es, ein solches Oligonukleotid in eine Zelle einzubringen (oder dort synthetisieren zu lassen), so bilden das Oligonukleotid und die mRNA einen Doppelstrangbereich. Diese Komplexe werden schnell von der RNase H abgebaut. Darüber hinaus kann das Ablesen der mRNA an den Ribosomen blockiert werden. So kann in der Zelle gezielt die Bildung eines bestimmten Genprodukts (Protein) verhindert werden (Abb. 1.17A).
Ribozyme
Die Methode lässt sich zur Hemmung/Ausschaltung wichtiger Virusproteine, Tumorwachstumsfaktoren oder zelleigener Entzündungsmediatoren einsetzen. Auch monogen-dominante Erkrankungen erfordern ein Abschalten des Ribozymeschädlichen Gens. Zur Wirkung tragen auch unspezifische Mechanismen bei, und das macht die Ergebnisse manchmal schwer interpretierbar.
Das Antisense-Oligonukleotid Fomivirsen (Vitravene®) war das erste Antisense-Medikament auf dem deutschen Markt. AIDS-Patienten, die an einer Zytomegalievirus(CMV)-FomivirsenAntisense-Oligonukleotideassoziierten Retinitis leiden, können mit diesem Medikament behandelt werden. Es handelt sich um ein DNA-21-Retinitis:Zytomegalievirus(CMV)-assoziiertemer, das gegen das wichtigste „immediate early gene“ des Zytomegalievirus gerichtet ist. DasZytomegalievirus(CMV)-assoziierte Retinitis entsprechende Protein ist für die Vermehrung des Virus notwendig. Die Bindung von Fomivirsen an die Ziel-mRNA unterbricht die Proteinsynthese und unterdrückt somit die Virusreplikation. Weltweit wird die Antisense-Technologie als eine der Kerntechnologien für die Entwicklung neuer biotechnologischer Medikamente angesehen. Ende 2011 befanden sich mehr als 30 weitere Antisense-Medikamente in verschiedenen Phasen der klinischen Entwicklung.
RNA-Interferenz, microRNAs
In den letzten Jahren hat die Entdeckung der post-transkriptionellen Regulation der Genexpression durch microRNAs neue Möglichkeiten der Identifikation RNA-Interferenz (RNAi)von Biomarkern komplexer Erkrankungen (z. B. Krebs, microRNAchronisch-entzündliche Erkrankungen, Diabetes, sowie potentielle neue Therapieformen eröffnet. Reife microRNAs sind kleine, einzelsträngige RNA-Moleküle (≈ 22 Nukleotide lang), die im Komplex mit Proteinen als „RISC”-Komplex („RNA-induced silencing complex”) an Ziel-mRNAs binden (meist im 3‘-untranslatierten Bereich) und damit die Translation und/oder Stabilität der mRNA beeinflussen (wie die exogen zugeführte siRNA in Abb. 1.17C). RISC (RNA-induced silencing complex)Man schätzt, dass jede microRNA potentiell mit Hunderten von Ziel-mRNAs interagieren kann. Darüber hinaus werden wahrscheinlich viele microRNA-Zielgene von vielen anderen microRNAs reguliert, was die Komplexität dieser Genregulationsmechanismen verdeutlicht. Im Menschen wurden bisher über 1.000 verschiedene microRNAs gefunden und man schätzt, dass microRNAs an der Regulation der überwiegenden Mehrheit von Protein-codierenden RNAs beteiligt sind. Studien der letzten Jahre haben gezeigt, dass eine fehlgesteuerte Expression von microRNAs mit einer Reihe von Krankheiten, wie Krebs, Diabetes, Herzinsuffizienz, viralen Infektionen und Immun- und Entzündungsreaktionen, assoziiert ist.
Antagomire, Antisense-Oligonukleotide gegen microRNAs
Antagomire sind nun Antisense-Oligonukleotide, bei denen nicht eine mRNA, sondern eine AntagomiremicroRNA die Zielstruktur darstellt. Sie sollen in pathologischen Antisense-Oligonukleotide:gegen microRNASituationen eine falsch regulierte microRNA-abhängige Modulation der Genexpresssion wieder normalisieren. Ende 2011 befand sich microRNA:Antisense-Oligonukleotideein Antagomir (anti-miR122) in der klinischen Testung (Phase I).
RNA-Interferenz, Gensuppression mittels siRNAs
In den letzten Jahren ist ein neues Verfahren zum Ausschalten von Genprodukten Gegenstand intensiver anti-miR122Untersuchungen. Bei dieser als „RNA-Interferenz“ bezeichneten Technologie wird die Expression eines Gens durch die Zerstörung der zugehörigen mRNA verhindert. Hierzu dienen kurze doppelsträngige RNA-Fragmente (sogenannte small interfering RNA-Interferenz (RNAi)RNA, siRNA), die spezifisch mit Nukleotidsequenzen in der mRNA interferieren. Eine siRNA besteht aus 21 bis 23 Basenpaaren. Sie siRNA (small interfering RNA)degradiert analog den endogenen micro-RNAs zusammen mit Enzymen im „RISC”-small interfering RNA (siRNA)Komplex (s.o.) hoch effizient und spezifisch eine bestimmte Ziel-mRNA und verhindert so die Synthese des entsprechenden Proteins (Abb. 1.17C). siRNAs konnten in Zellkulturexperimenten und bei Versuchstieren die Proteinexpression von Genen spezifisch unterdrücken.
Die denkbaren Anwendungsgebiete sind vielfältig. Besonders die Bekämpfung viraler Infektionskrankheiten (Influenza, Hepatitis C und HIV) könnte durch die siRNA-Technologie in Zukunft revolutioniert werden. Durch spezifische siRNAs (oder virale Vektoren, die die Synthese von siRNAs in Zellen induzieren) kann die Vermehrung verschiedener Viren (HIV-1, HCV und Influenza) unterdrückt werden. Für zahlreiche Infektions- und auch Tumorerkrankungen ließen sich so neue Behandlungsmethoden entwickeln. Ende 2011 befanden sich 16 verschiedene siRNA-Therapeutika in klinischer Prüfung.

RNA-Interferenz, ein antivirales Prinzip bei Pflanzen und Insekten

In Pflanzen und bei der Fruchtfliege Drosophila erfolgt die Bildung von siRNA endogen durch ATP-abhängige Endonukleasen (sog. Dicer = „Zerhacker”) aus doppelsträngiger RNA und ist dort ein ganz natürlicher Vorgang der spezifischen Regulation der Genexpression. Da doppelsträngige RNAs oft Intermediate bei der Vermehrung von Viren sind, kann die siRNA-Strategie als ein spezifisches Prinzip von Pflanzen und Insekten zur Abwehr pathogener Viren angesehen werden. RNA-RNA-Interferenz (RNAi)Interferenz wird vermutlich bereits durch sehr wenige doppelsträngige RNA-Moleküle in der Zelle ausgelöst. Die Zelle reagiert also sehr empfindlich. Interessanterweise kann sich die RNA-Interferenz-Antwort im Organismus ausbreiten. Injektion doppelsträngiger RNA an einer bestimmten Stelle eines Organismus führt schrittweise zum Abbau der spezifischen Ziel-mRNA überall.
Ribozyme und DNAzyme
Eine interessante Alternative zu Antisense-Oligonukleotiden sind sog. katalytische RNAs oder Ribozyme. Ribozyme sind entwicklungsgeschichtlich sehr alt; bevor die Natur Proteinenzyme entwickelte, existierte bereits das Prinzip katalytischer RNAs. Die Arbeitsweise ist ähnlich wie bei Proteinen: durch RibozymeSequenzelemente wird eine Struktur stabilisiert, die ein aktives Zentrum schafft, in dem dann Phosphatesterhydrolyse katalysiert ablaufen kann (Abb. 1.17B). DNAzymes sind DNA-Oligonukleotide mit katalytischer Aktivität, die wie Ribozyme ihre Ziel-mRNAs spalten können. In der Theorie sind Ribozyme/DNAzyme ein faszinierender Ansatz. Ende 2011 befanden sich sechs in der DNAzymeklinischen Testung. Insgesamt ist ihre klinische Entwicklung allerdings aufgrund ihrer zu geringen chemischen Stabilität ins Stocken geraten.
Aptamere
Der Begriff entstammt dem lateinischen Wort „aptus“ – „passend“ und dem griechischen Wort „meros“– „Teil oder Region“. Aptamere sind kurze einzelsträngige RNA- oder DNA-Oligonukleotide von 12–30 Basen Länge. Aptamere nehmen in vivo eine stabile Konformation an und können dann spezifisch mit sehr hoher Affinität an gewünschte AptamereZielmoleküle, typischerweise Proteine, binden. Sie gleichen im Prinzip Antikörpern, sind aber als chemisch synthetisierte kleine Moleküle billiger und schneller herzustellen und weit weniger immunogen. Wie Antikörper können sie sowohl zur Detektion als auch zur Inaktivierung von Zielmolekülen eingesetzt werden.
Im Dezember 2004 wurde als erstes Aptamer Pegaptanib (Macugen®) für die Indikation „altersbedingte Makuladegeneration“ von der US-amerikanischen FDA zugelassen. Pegaptanib ist ein Pegaptanibpegyliertes Oligonukleotid und bindet mit sehr hoher Selektivität an „vascular endothelial growth Makuladegeneration:altersbedingtefactor“ (VEGF) 165, die Isoform von VEGF, die primär für die pathologische Neovaskularisierung und VEGF (vascular endothelial growth factor)Gefäßpermeabilität im Auge verantwortlich ist. Durch seine Bindung an VEGF-165 blockiert das vascular endothelial growth factor (VEGF)Aptamer dessen Bindung an den VEGF-Rezeptor. Ende 2011 waren neun weitere Aptamere in der klinischen Prüfung.
Immunstimulatorische Oligonukleotide (CpG-Oligonukleotide)
Immunstimulatorische Oligonukleotide enthalten in ihrer Nukleotidsequenz Motive, die menschliche Immunzellen aktivieren. So führt das Sequenzmotiv Zytosin-Guanosin (Oligonukleotide:immunstimulatorischeCpG, p steht für die Phosphatbindung), das besonders in genomischer DNA von Bakterien vorkommt, in nichtmethylierter Form zu einer starken Immunantwort beim Menschen. CpG enthaltende Oligonukleotide CpG-Oligonukleotidescheinen dem Körper die Anwesenheit mikrobieller DNA vorzuspiegeln. Sie werden wie bakterielle DNA vom „Toll-like-Receptor 9“ (TLR-9) dendritischer Zellen und B-Zellen erkannt. Wird der TLR-9 durch CpG-Oligonukleotide stimuliert, kommt es zu einer TH1(T helper cell type 1)-gerichteten Immunantwort. Man will Toll-like-Receptor 9 (TLR-9):Oligonukleotidesich die immunstimulatorische Wirkung therapeutisch zunutze machen, um entweder das Immunsystem des Körpers gezielt zu aktivieren (z.B. bei Tumorerkrankungen, Infektionen, Impfungen) oder eine bestehende Überaktivierung des Immunsystems zu dämpfen (z.B. bei allergischen, TH-2-gerichteten Erkrankungen). Die zurzeit in klinischer Prüfung befindlichen CpG-Oligonukleotide (Ende 2011, 11 CpG-Oligonukleotide) zielen therapeutisch auf Infektionserkrankungen (z.B. HCV), Tumorerkrankungen (z.B. Lungentumoren), Allergien und Asthma bronchiale.

Therapeutischer Gentransfer

Ähnliche molekularbiologische Techniken wie zur Expression spezifischer Proteine in Säugerzellen in vitro (Kap. 1.3.1) lassen sich auch bei Menschen anwenden. Dabei werden sogenannte Gentransfer:therapeutischerTransgene mit der Absicht in menschliche Zellen oder Gewebe eingebracht, einen therapeutischen Nutzen zu erzielen. Es ist gleichsam die Herstellung rekombinanter Proteine in vivo. Gelingt es, ein Gen spezifisch in einen bestimmten Zelltyp oder ein bestimmtes Gewebe einzubringen und nur dort zu exprimieren, so kann das Genprodukt lokal und ohne systemische Nebenwirkungen seine Wirkung entfalten. Zielzellen sind dabei typischerweise somatische Zellen, d.h. Körperzellen, die nicht an der Reproduktion eines Individuums beteiligt sind. Man spricht von somatischer Gentherapie. Ihre Auswirkungen beschränken sich auf das behandelte Individuum und werden nicht auf die Nachkommen übertragen.
Eine Behandlung von Erbkrankheiten auch für Gentherapie:somatischeFolgegenerationen setzt gentherapeutische Eingriffe in die Keimbahn voraus (Keimbahntherapie). Hier müsste das korrekte Gen in ein genetisch defektes Individuum so eingebracht werden, dass es dieses und auch seine Nachkommen von der Krankheit befreit. Das klingt attraktiv und ist bei Keimbahntherapieverschiedenen Tierspezies auch gelungen. Doch bedarf bei den Tieren eine erfolgreiche Genbehandlung mehrerer Generationen, und einmalige Erfolge gehen mit großen Zahlen an nicht gelungenen Versuchen einher. Ein solches Szenario ist beim Menschen ethisch inakzeptabel. Die Keimbahntherapie beim Menschen ist daher in vielen Ländern – so auch in Deutschland, Österreich und der Schweiz – gesetzlich verboten.
Methoden des Gentransfers in somatische Zellen
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Strategien der somatischen Gentherapie, die Ex-vivo- und die In-vivo-Behandlung (Abb. 1.18).
Bis heute wurde der Gentransfer in den meisten Fällen ex vivo (in vitro) durchgeführt. Bei dieser Behandlung werden die Zielzellen (z.B. Lymphozyten, hämatopoetische Stammzellen, Leberzellen) aus dem Organismus isoliert, in Zellkultur mit dem gewünschten Gen transduziert und anschließend in In-vitro-Gentherapieden Organismus reimplantiert. So kann ein möglicher Gentransfer in Keimbahnzellen sicher ausgeschlossen werden. Die Anwendbarkeit der Ex-vivo-Gentherapie ist aber beschränkt auf jene Zellen, die relativ leicht aus dem Körper isoliert und in genügenden Mengen gezüchtet werden können. Zudem gelingt die Reimplantation der in vitro transfizierten Zellen in Ex-vivo-Gentherapieden Körper oft nur unvollständig und/oder die Expression des Transgens geht in vivo relativ rasch wieder verloren. Andererseits sind In-vitro-Gentransfermethoden generell effizienter als die bis heute zur Verfügung stehenden In-vivo-Methoden, bei denen das gesunde Gen direkt in die von der Krankheit betroffenen Körperzellen (z.B. Lungen-, Leberzellen) dirigiert wird.
In naher Zukunft ist der weitere Fortschritt der somatischen Gentherapie vor allem abhängig von der Entwicklung von sicheren und leicht anwendbaren In-vivo-Gentransfermethoden, die eine effiziente und stabile Genexpression in bestimmten Zielorganen erlauben. Um genetisches Material in Zellen einzuschleusen, muss es in ein Vehikel (Vektor) verpackt werden. Bei menschlichen Zellen sind die Vektoren häufig Viren, seltener nichtvirale Vektoren (Tab. 1.2).
Virale Vektoren des Gentransfers
Viren haben während der Evolution die Fähigkeit erworben, ihre Gentherapie:VektorenGene effizient in die von ihnen infizierten Zellen Gentherapie:Vektoreneinzuschleusen, da sie für ihre eigene Vermehrung auf die Maschinerie der Viren:als Vektoren im Gentransferinfizierten Zelle angewiesen sind. Für die Gentherapie werden Viren mit molekularbiologischen Mitteln verändert. Typischerweise entfernt oder zerstört man Virusgene, die zur Vermehrung des Virus benötigt werden. In diese vermehrungsunfähigen Viren bringt man dann das zu übertragende Gen ein. Es entsteht ein rekombinantes Virus, das man nun zur Gentherapie einsetzen kann. Um die gentherapeutischen Viren herzustellen, werden dann sogenannte Helferzellen verwendet, die die Gene zur viralen Vermehrung enthalten und so die Viren:rekombinanteProteine für die Verpackung des rekombinanten Virus liefern. Da also die Proteine von Genen geliefert werden, die nicht in dem rekombinanten Virus vorhanden sind, scheint die Entstehung replikationskompetenter Viren unmöglich (Sicherheitsaspekt). In neueren Studien werden die Hüllen/Kapside der rekombinanten Viren dann noch mit spezifischen Oberflächenproteinen versehen, womit eine genauere Spezifität (Tropismus) der Infektion der gewünschten Zielzellen erreicht werden soll. Die wesentlichen Virusvektoren sind in Tabelle 1.2 dargestellt. Über 75% aller Gentherapiestudien wurden und werden mit Viren durchgeführt. Obwohl eine Vielzahl von Viren auf ihren potentiellen Nutzen in der Gentherapie hin untersucht worden sind, werden zurzeit am häufigsten replikationsdefiziente Retro- und Adenoviren verwendet.
Retrovirale Vektoren (Tab. 1.2 und Abb. 1.19) haben den Vorteil, dass sie das gewünschte Gen stabil in das Genom von Zielzellen integrieren, bringen dadurch aber die Gefahr der Insertionsmutagenese mit sich (z.B. Zerstörung von Tumorsuppressorgenen, Aktivierung von Protoonkogenen).
Retroviren haben damit das Potential, zu stabiler Genexpression in Mutter- und Tochterzellen zu führen, sind aber Retroviren:als Vektoren im Gentransferineffizient in Zellen, die sich nur selten teilen (z.B. Endothelzellen oder Adenoviren:als Vektoren im Gentransferglatte Muskelzellen im Gefäßsystem). Derartige Zellen lassen sich aber mit lentiviralen Vektoren (aus dem AIDS-Virus/HIV abgeleiteten retroviralen Vektoren) und mit adenoviralen Vektoren (Tab. 1.2) infizieren.
Das gewünschte Gen wird mit adenoviralen Vektoren aber nicht in das Genom integriert, die Genexpression bleibt transient. Die Effizienz wird auch häufig durch eine antiadenovirale Immunantwort limitiert. Nicht selten besitzt der Patient bereits präformierte Antikörper gegen das Adenovirus. Neu entwickelte „high capacity“-adenovirale Vektoren, bei denen alle virale codierende Sequenz entfernt wurde, zeigen in Tierversuchen eine geringere Toxizität und Immunogenität bei gleichzeitig erhöhter Aufnahmekapazität für die therapeutische Fremd-DNA.
Recht große Erwartungen werden auch in adenoassoziierte Viren (AAV, Tab. 1.2) gesetzt. Diese nicht menschenpathogenen Viren haben eine gute Transduktionseffizienz und adenoassoziierte Viren (AAV):Gentherapieintegrieren das gewünschte Gen an einer definierten Stelle (im Chromosom 19) in AAV (adenoassoziierte Viren)das Chromatin der Zielzelle. Dies ist eine gute Voraussetzung für eine langfristige, dauerhafte Genexpression. Da AAV keine bekannte humane Erkrankung auslöst, sollte diese chromosomale Integration nicht pathogen sein. Nachteile von AAV sind die noch großen Schwierigkeiten bei der Herstellung dieser Vektoren und die relativ geringe Aufnahmefähigkeit für exogene DNA (max. 4 kb).
Nichtvirale Transfermethoden
Transiente Genexpression kann auch mit einer Reihe nichtviraler Transfermethoden erreicht werden (Tab. 1.3). Dabei wird das zu exprimierende Gen durch verschiedene Methoden in die Zielzellen eingebracht. Man kann „nackte“ DNA (in Form eines Plasmids) in das Gewebe (z.B. Muskulatur oder Schilddrüse) injizieren; die Transduktionseffizienz ist aber meist schlecht. DNA:nackteZur Verbesserung der Transduktionseffizienz kann man die DNA an negativ geladene Plasmide:GentherapieLiposomen (feine Fetttröpfchen) assoziieren oder an Polykationen wie Poly-L-Lysin binden (Bindung zwischen den positiven Ladungen der Aminogruppen Liposomen:Gentherapieund den negativen Ladungen der Phosphatgruppen der DNA). Diese Poly-L-Lysin:GentherapieLipoplexe oder Polyplexe werden dann von Zellen besser aufgenommen. Schließlich kann man die DNA an spezifische Proteine oder an Nanopartikel Lipoplexe:Gentherapiekondensieren und per rezeptorvermittelter Endozytose aufnehmen lassen. Die Polyplexe:Gentherapieletztere Methode ermöglicht einen zielgerichteten In-vivo-Gentransfer in spezielle Zellen und Organe. So kann z.B. DNA durch Komplexierung mit Asialoglykoprotein (ASGP) über den leberzellspezifischen ASGP-Rezeptor spezifisch in Leberzellen eingeschleust werden. Eine weitere Möglichkeit zur gewebsspezifischen Genexpression ist die Verwendung von Asialoglykoprotein (ASGP) :Gentherapiegewebsspezifischen Promotoren (= Genabschnitte, die die Transkription kontrollieren). So wird beispielsweise α-Fetoprotein beinahe ausschließlich durch Leberzellkarzinome gebildet. Durch Kopplung mit dem α-Fetoprotein-Promotor kann erreicht werden, dass ein gewünschtes Gen ausschließlich in hepatozellulären <03B1>-Fetoprotein:GentherapieKarzinomzellen exprimiert wird. Man kann auch winzige Metallteilchen aus Wolfram oder Gold mit Erbgut beschichten und dann in das Zielgewebe hineinschießen („Genkanone“). Diese Technik wird u.a. zur Genimpfung eingesetzt (vgl. unten).

Anwendungen der Gentherapie (Nukleinsäure-Therapeutika und Gentransfer)

Anwendungsmöglichkeiten dieser neuen Therapieformen ergeben sich vor allem auf drei Gebieten:
  • bei den klassischen Erbkrankheiten mit isoliertem Einzelgendefekt

  • bei Gentherapie:Anwendungenmultifaktoriellen genetischen Erkrankungen (z.B. Tumoren, Herz- und Kreislaufkrankheiten) und

  • bei bestimmten erworbenen Erkrankungen (z.B. chronischen Infektionskrankheiten).

Therapie „monogener” Erkrankungen
Man kennt über 1.000 menschliche Krankheitsgene. Diese sind verantwortlich für ein Drittel der vermuteten 3.000 monogenen Erbkrankheiten. Die Vorstellung, durch den Ersatz eines kranken Gens eine Krankheit heilen zu können, klingt verlockend und in der Tat sind hier Erfolge der Gentherapie zu verzeichnen. Das eigentliche Therapieziel wäre dabei der Genersatz für das defekte oder fehlende Gen, d.h., das Defektgen müsste selektiv aus dem Genom herausgeschnitten und das normale Gen an exakt der gleichen Stelle eingesetzt werden können. Nur ein solchermaßen durch homologe Rekombination rekonstruiertes Gen würde der normalen Genregulation unterliegen. Leider ist effizienter Genersatz durch homologe Rekombination bis heute nicht möglich. Die gegenwärtig verfügbaren Gentransfermethoden erlauben lediglich eine Genaddition mit transienter (oder im Falle retroviraler Vektoren zufällig integrierter) Genexpression.
Erfolge bei der Behandlung seltener erblicher Immundefekte
Die wohl größte Erfolgsgeschichte ist die Behandlung des schweren kombinierten Immundefekts („severe combined immunodeficiencyImmundefekte:erbliche“, SCID). SCID stellt eine Gruppe seltener (Inzidenz 1 : 100.000) kongenitaler Störungen dar, die durch SCID (severe combined immunodeficiency)wenig oder gar keine Immunantwort gekennzeichnet sind. Allen gemeinsam ist ein severe combined immunodeficiency (SCID)Defekt im T- und B-lymphozytären System, sodass die Patienten viralen, bakteriellen und Pilzinfektionen hilflos ausgesetzt sind. Unbehandelt sterben viele vor dem Ende des ersten Lebensjahres. Eingreifende Maßnahmen wie Knochenmarks- oder Stammzelltransplantation können heute Patienten retten. In etwa der Hälfte der SCID-Fälle ist der Defekt X-chromosomal lokalisiert, wird von der Mutter übertragen und betrifft fast nur männliche Kinder. X-Chromosom-vermitteltes SCID beruht auf einer Mutation im Interleukin-2-Rezeptor-γ-Gen, das für die „γ-Kette“ codiert, die vielen Interleukin-Rezeptoren gemeinsam ist. Der Interleukin-2-Rezeptor γ aktiviert ein wichtiges Signalmolekül, die Januskinase 3Interleukin-2-Rezeptor-<03B3>-Gen:Mutation (JAK3, Abb. 1.14). Eine Mutation der JAK3, deren Gen auf Chromosom 19 lokalisiert ist, kann ebenfalls zu SCID führen. In beiden JAK3 (Januskinase 3)Fällen ist die Differenzierung der T-Lymphozyten gestört. Eine Januskinase 3 (JAK3)weitere Form von SCID beruht auf einem Defekt des Enzyms Adenosindeaminase (ADA), eines wichtigen „Entgiftungsenzyms“, dessen Gen auf Chromosom 20 liegt. ADA katalysiert die Deaminierung von ADA (Adenosindeaminase)Adenosin zu Inosin und von Deoxyadenosin zu Deoxyinosin. Bei einem Adenosindeaminase-(ADA-)Gen:defektesDefekt wird durch die toxischen Wirkungen des akkumulierten Adenosins und Inosins die Ausreifung der Lymphozyten verhindert.
Die erste Gentherapie wurde von amerikanischen Ärzten im September 1990 bei der damals 4-jährigen Ashanti DeSilva vorgenommen, die an dem ADA-Gendefekt litt. Aus dem Blut der Patientin wurden Leukozyten isoliert. Diese wurden in vitro mit einem intakten ADA-Gen transduziert und in Kultur expandiert. Anschließend wurden dem Kind die gentechnisch veränderten Zellen durch Infusion wieder zurückgegeben (Abb. 1.20).
Das Ergebnis war ermutigend: Starben früher alle Kinder mit diesem Defekt in jungen Jahren, so hat Ashanti DeSilva dank der Gentherapie das Erwachsenenalter erreicht und führt ein normales Leben.
Im April 2000 berichteten französische Ärzte über Erfolge bei der Behandlung der X-Chromosom-verknüpften SCID mittels Gentherapie (retroviraler Gentransfer). Bei neun von zehn Patienten konnte durch die Gentherapie ein fast normales Immunsystem etabliert werden. Leider kam es bei drei der behandelten Patienten nach 3 bzw. 5 Jahren zu einer unkontrollierten exponentiellen klonalen Proliferation reifer T-Zellen. Als Ursache für diese Leukämie wurde von den beteiligten Forschern eine Aktivierung des LMO2-Protoonkogen-Promoters durch die Integration des retroviralen Vektors in der Nähe dieses Promotors vermutet (Insertionsmutagenese). Neuere Daten im Mausmodell legen aber nahe, dass das transduzierte Gen selbst onkogen wirken könnte.
Im Jahr 2006 berichteten Frankfurter Forscher von der erfolgreichen Behandlung erwachsener Patienten mit chronischen Granulomatose (CGD) mittels retroviraler Vektoren. CGD ist eine Immundefizienz phagozytierender Zellen, CGD (chronische Granulomatose):Gentherapiebedingt durch einen Defekt in einer Untereinheit des NADPH-Oxidase-Komplexes. Die Granulomatose:chronischeErkrankung ist sehr gut für eine Genersatztherapie geeignet, da 5–10% der normalen Genaktivität bereits die Symptome zum Verschwinden bringen. Auch bei dieser Studie fand ein Einbau des Vektorgenoms in zellzyklusaktivierende Gene statt. In diesem Fall hat dies vermutlich zum therapeutischen Erfolg beigetragen, da es dadurch zu einer Vermehrung der erfolgreich behandelten Zellen im Organismus kam.
Therapieansätze bei weiteren monogenen Erkrankungen
Die Mukoviszidose (zystische Fibrose) tritt etwa Gentherapie:monogene Krankheitenbei einem von 2000 Neugeborenen auf. Ursache ist ein Gendefekt im „cystic-fibrosis-Mukoviszidose:Gentherapietransmembrane-conductance-regulator“-(CFTR)-Genzystische Fibrose s. Mukosviszidose. Die bisherigen klinischen Ergebnisse mit adenoviralen Vektoren sowie nichtviralen, liposomalen Vektoren sind eher ernüchternd. Die cystic-fibrosis-transmembrane-conductance-regulator-(CFTR)-GenHämophilien sind ein attraktives Modell zur Entwicklung gentherapeutischer Ansätze, die Gene sind kloniert und verfügbar, es gibt gute Tiermodelle für die Erkrankung. In den vergangenen Jahren wurden Hämophilie:Gentherapiemehrere klinische Studien zur Behandlung der Hämophilie B begonnen. Sie alle verwenden die intramuskuläre Injektion eines adenoassoziierten Virus-AAV-Vektors, der mit dem Faktor-IX-Gen bestückt ist. Die Ergebnisse der ersten Patientenstudien sind ermutigend in Bezug auf Verträglichkeit und therapeutischen Effekt. Auch für die Hämophilie A gibt es erfolgversprechende präklinische Studien. Nur mäßig eindrücklich waren bisher die Resultate bei der familiären Hypercholesterinämie (Defekt im „low density lipoprotein“, LDL-Rezeptor in der Leber). Auch für die kongenitale Form des LungenemphysemHypercholesterinämie:familiäres (ererbtes Fehlen des Schutzproteins α1-Antitrypsin) gibt es erste erfolgreiche Versuche zur liposomalen Transfektion der Nasenschleimhaut mit α1-Antitrypsin-cDNA. WeitereLungenemphysem:kongenitales Erkrankungen, bei denen Gentherapie versucht wird, sind Thalassämien (Defekte im Proteinanteil des Hämoglobins), Phenylketonurie (Defekt des in der Leber gebildeten Enzyms Phenylalanin-Thalassämie:GentherapieHydroxylase), der Morbus Gaucher (Defekt des Enzyms Phenylketonurie:GentherapieGlucocerebrosidase in Makrophagen und Leukozyten).
Therapieansätze bei „polygenen” Krankheiten
Morbus Gaucher:GentherapieEin-Gen-Erbkrankheiten sind vergleichsweise selten. Ärzte sind verständlicherweise an der Behandlung der viel häufigeren, mit zahlreichen Genen verknüpften „polygenen“ Krankheiten Gentherapie:polygene Krankheiteninteressiert. Analysen multifaktorieller Krankheiten haben sich aber als extrem schwierig erwiesen. Es sind viele Milliarden Dollar/Euro ausgegeben worden, um Gene komplexer genetischer Erkrankungen wie etwa Alzheimer oder Schizophrenie zu identifizieren – bisher ohne großen Erfolg. Auch bei den genetischen Ursachen von Krebserkrankungen liegt noch vieles im Dunklen.
Neue Strategien gegen Krebs
Die weltweit häufigste Indikation für Gentherapie-Studien sind Tumorerkrankungen (etwa 1.100 Studien von insgesamt 1.700 Studien; Stand Krebs:GentherapieEnde 2011). Der gentherapeutische Ansatz ist ein Gentherapie:Krebserkrankungenanderer als bei „monogenen“ Erkrankungen. Wissenschaftler erproben derzeit verschiedene Wege, wie man Krebspatienten mit einer Gentherapie helfen könnte:
  • Immunpotenzierung/Tumorvakzinierung,

  • Auslösen des Tods von Tumorzellen durch Bindung von Antikörpern oder Aptameren,

  • molekulare Chemotherapie (gentechnische Sensibilisierung von Tumorzellen gegen tumorizide Pharmaka, Einführung von Selbstmordgenen),

  • Einführung tumorrevertierender und zelltodauslösender Gene,

  • Ausschaltung von Onkogenen,

  • Modulation der krebsauslösenden Dysregulation der microRNA-Expression.

Mit den verschiedenen Ansätzen sind bei einzelnen Patienten Erfolge erzielt worden, ein wirklicher therapeutischer „Durchbruch” blieb aber bisher aus.
Ziel der Immunpotenzierung ist es, die Antwort des Immunsystems auf Krebszellen zu erhöhen und so zu deren Zerstörung beizutragen; diese Ansätze werden auch Tumorvakzinierung genannt. Bei der Immunpotenzierung könnten auch CpG-Oligonukleotide (s.o.) hilfreich sein.
Bei anderen Formen der Gentherapie nutzt man die Aktivität eines übertragenen Gens, um in den malignen Zellen Tumorvakzinierungeine Selbstzerstörung einzuleiten (Selbstmordgen). Ein Beispiel für ein solches Gen ist die Thymidinkinase des Herpes-simplex-Virus. Diese konvertiert das Virustatikum Ganciclovir zu dem toxischen SelbstmordgenMetaboliten Ganciclovir-Triphosphat, der bei sich teilenden Zellen zu DNA-Strangbrüchen führt, ruhenden Zellen aber nicht schadet. Bei Ratten und Mäusen hat das Verfahren zu erstaunlich Ganciclovirguten langfristigen Heilungen von Hirntumoren geführt, beim Menschen waren die ersten Behandlungsversuche von Hirntumoren aber weniger spektakulär.
Unabhängig von Ursachen und genetischer Abnormalität eines Tumors kann das gentherapeutische Hirntumoren:GanciclovirEinbringen eines Tumorsuppressorgens wie etwa p53 oder BRCA1sv zum programmierten Zelltod (Apoptose) führen und das Tumorwachstum hemmen. Auch wirkt das Einbringen von p53 in Tumorzellen synergistisch mit Chemotherapeutika wie z.B. TumorsuppressorgeneCisplatin. Klinische Studien hatten aber leider nur mäßigen Erfolg.
Zur Ausschaltung von Onkogenen lassen sich die gleichen Techniken anwenden, die für die Inaktivierung anderer unerwünschter Gene eingesetzt werden (vgl. Antisense-, Ribozym- und siRNA-Technologie). Verschiedene Onkogene (besonders Onkogene:Gentherapiebcl-2, c-raf-1, Proteinkinase-C und H-ras) sind als therapeutische Ziele für Antisense-Oligodeoxynukleotide in klinischen Studien der Phasen I und II untersucht worden. Dramatische Tumorregressionen waren auch hier die Ausnahme.
Krebszellen zeigen deutlich andere microRNA-Expressionsprofile als nichtentartete Zellen. Herabregulation der Expression von pro-onkogenen microRNAs in Krebszellen hemmt deren Wachstum oder führt zur Apoptose der Krebszellen. Ebenso führt die Heraufregulation der Expression anti-onkogener microRNA RNAs in der Zellkultur zu deutlicher Hemmung des Krebswachstums. In Tierversuchen konnte das Tumorwachstum durch Antagomire gegen onkogene microRNAs gehemmt werden.

Herstellung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) durch gentechnische Veränderungen normaler Körperzellen

Im Jahr 2006 haben die japanischen Forscher Kazutoshi Takahashi und Shinya Yamanaka erstmals gezeigt, dass murine und humane Fibroblasten zu sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) umprogrammiert werden können. Aus diesen iPSC können sich, wie aus embryonalen iPSC (induzierte pluripotente Stammzellen)Stammzellen (ESC), alle anderen pluripotente Stammzellen:induzierte (iPSC)Körperzellen entwickeln. Die Induktion der iPSC aus Fibroblasten wurde durch stabile genetische Modifikation der Zellen mit lentiviralen Konstrukten ermöglicht, die die Stammzellen:pluripotenteÜberexpression von vier Transkriptionsfaktoren (Oct3/4, Sox2, c-Myc und Klf4) in den Zellen induzierte. Diese Transkriptionsfaktoren haben für die Pluripotenz von ES-Zellen eine zentrale Bedeutung. Die sensationellen Befunde eröffneten für verschiedene Bereiche der Humanmedizin völlig neue Therapiewege. Transkriptionsfaktoren:Stammzellen, pluripotenteDa bei der Verwendung von lentiviralen Vektoren durch die Insertionsmutagenese (s.o.) eine Gefahr zur Auslösung der Entartung der Zellen besteht, müssen für den Einsatz von iPSC beim Menschen noch unbedenklichere Wege zur Herstellung gefunden werden. Zurzeit werden kleine Moleküle gesucht, die die endoge Expression der für die Pluripotenz wichtigen Transkriptionsfaktoren bzw. von für die Pluripotenz wichtigen microRNAs in normalen Körperzellen erhöhen. Für die Anwendung der iPSC-Technologie am Menschen müssen auch noch die genauen Bedingungen erforscht werden, die zur Ausdifferenzierung spezifischer Zelltypen (Muskel-, Nerven-, Immunzellen etc.) aus den iPSC führen.

Regulation der Genexpression durch „klassische” Pharmaka

Nicht zur Gentherapie im engeren Sinne rechnet man die durch klassische Pharmaka ausgelösten vielfältigen Änderungen der Genexpression. Im Prinzip sind jedoch alle Wirkstoffe, die über nukleäre Rezeptoren wirken, pharmakologische Genregulatoren. Sie stimulieren und/oder inhibieren die Expression verschiedener Gene (man spricht Genexpression:Regulationvon Transaktivierung oder Transrepression). Die ligandenbesetzten Rezeptoren werden zu Transkriptionsfaktoren, oder sie fördern oder hemmen Transaktivierung:Genexpressionandere Transrepression:GenexpressionTranskriptionsfaktoren. Zu dieser Substanzgruppe gehören die Steroidhormone (Glucocorticoide, Mineralocorticoide, Östrogene Transkriptionsfaktoren:Genexpressionund Gestagene), Thyroidhormone sowie Vitamin Steroidhormone:Transaktivierung/-repressionD3 und Retinsäure. Glucocorticoide wirken z.B. im Wesentlichen durch Transrepression von Entzündungsgenen antiinflammatorisch, antiproliferativ Thyroidhormone:Transaktivierung/-repressionund immunsuppressiv (vgl. Kap. 16.2.2). Ihr therapeutischer Einsatz wird aber limitiert durch die Transaktivierung metabolischer Gene des Zucker-, Fett- und Proteinstoffwechsels (vgl. Kap. 29). Diese „physiologischen“ Wirkungen der Glucocorticoide werden in der Therapie zu unerwünschten „Neben“-Wirkungen.
Ein weiteres Beispiel sind pharmakologische Stimulantien des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptors (PPAR). Von diesem Zellkernrezeptor sind inzwischen mehrere Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor (PPAR):StimulanzienIsoformen bekannt. Der bekannteste Rezeptor ist PPAR-PPAR (Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor):Stimulanzienγ. Als Transkriptionsfaktor steuert er u.a. die Expression von Genen, die an der Differenzierung von Präadipozyten und an der insulinvermittelten Glucoseaufnahme PPAR (Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor):PPAR-<03B3>peripherer Gewebe beteiligt sind. So wird die Expression von z.B. Leptin, Plasminogenaktivatorinhibitor-1 (PAI-1) und Tumor-Nekrose-Faktor-alpha (TNF-α) aus Fettzellen reduziert, während die Expression von z.B. „adipocyte lipid-binding protein“ (aP2) oder dem Glucosetransporter GLUT-4, der maßgeblich für den erleichterten Transport von Glucose in Adipozyten und Skelettmuskel verantwortlich ist, erhöht wird. Pharmakologisch wird PPAR-γ durch Glitazone (wie z.B. Proglitazon, Actos®) aktiviert (vgl. Kap. 27). Diese Präparate verstärken die Insulinsensitivität und vermindern die Hyperinsulinämie bei Diabetikern mit Insulinresistenz. PPAR-γ hemmt aber Glitazoneauch inflammatorische Zytokine und die Proliferation aktivierter T-Zellen. PPAR-γ hat darüber hinaus Einfluss auf das Zellwachstum und auf die Zelldifferenzierung; Glitazone können die Proliferation maligner Zellen hemmen. Schließlich sind auch antiarteriosklerotische Wirkungen für PPAR-γ und seine Glitazon-Agonisten berichtet worden.
Genregulation als Zusatzwirkung von Pharmaka mit etabliertem Wirkmechanismus
Auch andere Pharmaka zeigen zusätzlich zu ihrem etablierten Wirkmechanismus genregulatorische Eigenschaften, die z.T. ihr Wirkspektrum ergänzen. So reguliert Angiotensin Genregulation:zusätzlicheII Gene herauf, die am „Remodeling“ des insuffizienten Herzens beteiligt sind. Dieser Prozess wird von ACE-Hemmern und Angiotensin II:GenregulationAT1-Rezeptor-Antagonisten unterbrochen, was zu deren günstigen Wirkungen bei der Herzinsuffizienz ACE-Hemmer/-Inhibitoren:Genregulationbeiträgt (vgl. Kap. 17). Statine (HMG-CoA-AT1-Rezeptor-Antagonisten:GenregulationReduktase-Hemmer) schützen das Herz-Kreislauf-System schon in Dosen, die keine Cholesterinsenkung bewirken (vgl. Kap. 26). Ursache ist wahrscheinlich eine vermehrte Expression und Statine:GenregulationAkivitätssteigerung der endothelialen NO-Synthase (vgl. Kap. 18).
Es gibt es auch hier multiple Forschungsanstrengungen, die das Ziel haben, mit kleinen Molekülen spezifisch das Genexpressionsmuster von Zellen zu verändern. Die Erfolgschancen erscheinen nicht schlecht und wir werden wahrscheinlich auch in diesem Bereich in der Zukunft neue Therapeutika sehen.

Wirkungen des Organismus auf Pharmaka: allgemeine Pharmakokinetik

M. Eichelbaum und M. Schwab3

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Die Autoren danken Prof. Dr. B. Fichtl für die Erlaubnis, Teile seines Textes in die neue Auflage übernehmen zu dürfen.

Die Pharmakokinetik beschreibt und erklärt die Wirkung des Körpers auf Pharmaka, ihr Schicksal im Organismus (Kap. 1.1.3). In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Schritte der Pharmakokinetik näher Pharmakokinetik:allgemeinebesprochen.
In der Regel gelangt ein Pharmakon nach der Applikation zunächst ins Blutplasma, sei es direkt durch intravasale Injektion, sei es durch Resorption (Kap. 1.4.2). Die Verteilung im Organismus erfolgt großteils durch das Blut und nur wenig durch die Lymphe. Dabei ist die an den Wirkort gelangende Menge, bezogen auf die applizierte Dosis, meist gering. Das Pharmakon kann zudem im Plasma und in den Körpergeweben gebunden oder gespeichert werden (Kap. 1.4.3). Der Eintritt eines Pharmakons in den Körper und seine Verteilung werden auch mit dem Begriff Invasion zusammengefasst.
Die Elimination von Invasion von PharmakaPharmaka Arzneimittel(therapie):Invasionerfolgt durch metabolische Umwandlung (Biotransformation; Kap. 1.4.4) und Arzneimittel(therapie):EliminationAusscheidung (Exkretion; Kap. 1.4.5). Invasion und Elimination lassen sich zeitlich nicht trennen, da Elimination von Pharmakasie von Anfang an gleichzeitig ablaufen (Abb. 1.2). So resultiert der Konzentrationsverlauf am Wirkort aus dem Zusammenspiel von Invasion und Elimination. Faktoren, die diese Vorgänge beeinflussen, können daher auch Auswirkungen auf die Wirkung eines Pharmakons haben. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Fähigkeit eines Pharmakons, biologische Membranen zu durchdringen. Sowohl bei der Resorption (z.B. Permeation durch die Darmschleimhaut) als auch bei der Verteilung (z.B. Verlassen der Blutbahn durch die Kapillarwand) und bei der Elimination (z.B. Filtration in den Glomeruli der Niere oder Aufnahme in die Leberzellen) muss ein Pharmakon Membranen permeieren. Zum besseren Verständnis von Resorption, Verteilung und Elimination eines Pharmakons ist daher eine Darstellung der Gesetze der Membranpermeation vorangestellt (Kap. 1.4.1).

Durchtritt von Pharmaka durch biologische Membranen

Membranstruktur und Permeation
Biologische Membranen wie Endothelien und EpithelienMembranen:biologische sind ein- oder mehrschichtige Zellverbände. Die biologische Membranen:PermeationZellmembran besteht aus einem bimolekularen EndothelienLipidfilm mit eingelagerten Proteinen. Während lipophile EpithelienSubstanzen durch die Lipiddoppelschicht diffundieren können, ist diese für polare Verbindungen (hydrophile ZellmembranNichtelektrolyte, ionisierte Moleküle) weitgehend impermeabel.
Nur kleine polare Moleküle können die Zellmembran selbst durchdringen, woraus man auf die Existenz von hydrophilen „Poren“ in der Membran geschlossen hat. Beispielsweise hat man für die Epithelzellen des Dünndarms mithilfe von Testmolekülen einen Zellmembranpermeabilitätscheinbaren mittleren Porenradius von 0,3 bis 0,4 nm ermittelt. Hydrophile Nichtelektrolyte wie Harnstoff (MM 60; Molekülradius 0,2 nm) können so transzellulär permeieren. Dagegen kann Harnstoff:ZellmembranpermeabilitätMannit (MM 182; Molekülradius 0,4 nm) oder Zellmembranpermeabilität:transzelluläreLactose (MM 342; Molekülradius 0,5 nm) das Epithel nur noch durch Lücken Mannit:Zellmembranpermeabilitätzwischen den Zellen (parazellulär) Lactose:Zellmembranpermeabilitätpassieren. Auch die meisten Arzneistoffe sind so groß, dass sie – sofern sie die Lipidschicht nicht durchdringen können – auf den parazellulären Weg oder spezielle Zellmembranpermeabilität:parazelluläreTransportprozesse (s.u.) angewiesen sind.
Der effektive „Poren“-Radius für die parazelluläre Permeation hängt von der Struktur der Zell-Zell-Kontakte (Zonula occludens, „tight junctions“) ab und differiert zwischen den einzelnen Biomembranen des Organismus erheblich. So hat man für die Kapillaren der Skelettmuskulatur Porenradien von 1–4 nm errechnet. Allerdings macht die Fläche dieser „Poren“ nur etwa 0,2% der gesamten Endothelfläche aus, d.h., für die Permeation lipophiler Substanzen steht eine 500-mal größere Fläche zur Verfügung. Besonders große Lücken (50–100 nm) finden sich in der Kapillarmembran der Nierenglomeruli. Hier werden Moleküle mit einer Molekülmasse unter 20 kD praktisch frei filtriert. Die Ausschlussgrenze liegt bei der Molekülmasse des Nierenkapillaren:ZellmembranpermeabilitätAlbumins (69 kD), das normalerweise nur in Spuren im Harn vorkommt. In den Kapillaren der Leber sind die „Poren“ so Albumin:Zellmembranpermeabilitätweit, dass sogar Albumin und andere in der Leber synthetisierte Makromoleküle durchtreten können.
Dagegen sind die Kapillaren des Gehirns für hydrophile Leberkapillaren:ZellmembranpermeabilitätMoleküle, die größer als Harnstoff sind, praktisch impermeabel. Das morphologische Substrat dieser sogenannten Blut-Hirn-Schranke ist vor allem darin zu sehen, dass die Endothelzellen der Kapillaren im Gehirn dichter als in anderen Geweben aneinander anschließen. Hinzu kommt, dass die Blut-Hirn-SchrankeHirnkapillaren von einer dicht anliegenden Schicht von Gliazellen eingehüllt sind. Das Gehirn wird daher vom Blut aus in der Regel nur von lipophilen Pharmaka erreicht (Abb. 1.21Hirnkapillaren:Zellmembranpermeabilität).
Eine Verringerung der lipophilen Eigenschaften eines Pharmakons vermindert daher auch seine zentralen Wirkungen. So wird z.B. durch Quaternierung des Stickstoffs im Scopolaminmolekül mittels Einführung einer Butyl-Gruppe (Scopolamin → N-Butylscopolamin) eine unerwünschte zentrale Wirkung des Scopolamins verhindert (Kap. 3.3.2). Für hydrophile Substanzen, die für die Funktion des Gehirns benötigt werden, wie z.B. D-Glucose und Aminosäuren, existieren spezielle Transportmechanismen, über die auch strukturverwandte Pharmaka aufgenommen werden können. Diese Tatsache macht man sich bei der Therapie von neurologischen Erkrankungen zunutze wie im Falle der Therapie des Morbus Parkinson mit L-Dopa (Abb. 1.21).
Eine Barriere mit ähnlichen Eigenschaften wie die Blut-Hirn-Schranke (geringe Permeation hydrophiler Substanzen) existiert zwischen Blut und Hodengewebe (Blut-Hoden-Schranke). Dies ist von Bedeutung für die Anwendung von Chemotherapeutika und Zytostatika, aber auch für die Frage, ob mutagene Gifte Erbschäden auslösen können.
Die Blut-Hoden-SchrankePlazentarschranke zwischen mütterlichem und fetalem Blut wird von lipophilen Pharmaka rasch durchquert. Auch hydrophile Substanzen, z.B. quartäre PlazentarschrankeAmmoniumbasen wie Suxamethonium oder (+)-Tubocurarin, Schwangerschaft:Plazentarschrankekönnen durch Poren der Plazentarschranke permeieren, der Konzentrationsausgleich zwischen mütterlichem und fetalem Blut erfolgt aber langsamer als bei lipophilen Substanzen. Hydrophile Moleküle mit einer Masse von 1.000 passieren die Plazentarschranke nur noch langsam, noch größere Moleküle so gut wie nicht. Aus diesem Grunde kann man in der Schwangerschaft durch Umstellung von einem oralen Antidiabetikum (MM 250–500) auf Insulin (MM ≈ 6.000) eine antidiabetische Wirkung oder durch Umstellung von Phenprocoumon (MM = 280) auf Heparin (MM 6.000–20.000) eine Insulin:Schwangerschaftgerinnungshemmende Wirkung ausschließlich bei der Mutter erreichen, ohne dass der Fetus „mitbehandelt“ wird. Trotz des suggestiven Namens sollte man sich darüber im Klaren Heparin:Schwangerschaftsein, dass die „Plazentarschranke“ für die Mehrzahl der therapeutisch angewandten Pharmaka, deren Molekülmasse meist unter 1.000 liegt, keine Barriere darstellt. Neben dem Weg durch die Plazenta können Pharmaka auch über die Amnionflüssigkeit vom Fetus aufgenommen werden. Indem der Fetus Amnionflüssigkeit verschluckt, gelangen die Pharmaka auch in seinen Organismus. Ein solcher transamnialer Übergang wurde bei Antibiotika, β-Blockern und Morphin beobachtet.
Mechanismen der Membranpermeation
In Abbildung 1.22 sind die Mechanismen zusammengestellt, mit deren Hilfe Pharmaka biologische Membranen permeieren können.
Prinzipiell können passive und aktive Prozesse den Zellmembranpermeabilität:MechanismenÜbertritt eines Arzneistoffs beeinflussen. Sowohl beim Durchtritt durch die Lipidphase als auch bei der Passage durch die wässrigen Poren der Membran ist in der Regel der Konzentrationsgradient die treibende Kraft (Diffusion). Weitere Möglichkeiten sind die Filtration durch (parazelluläre) Membranporen oder spezielle Diffusion:Zellmembranpermeabilitätenergieabhängige Filtration:ZellmembranpermeabilitätTransportsysteme (carriervermittelter Transport, vesikulärer Transport).
Diffusion
Carrier-vermittelter Transport:ZellmembranpermeabilitätDa die Diffusionszeit proportional zum Quadrat des Diffusionswegs ist, vesikulärer Transport:Zellmembranpermeabilitäterfolgt ein Konzentrationsausgleich über größere Strecken nur langsam. Bei der geringen Dicke biologischer Membranen erfolgt der Konzentrationsausgleich durch Diffusion aber sehr rasch (Tab. 1.3).
Die Diffusionsgeschwindigkeit lipophiler Pharmaka durch biologische Membranen ist umso größer, je höher der DiffusionVerteilungskoeffizient (VK) des Diffusion:GeschwindigkeitPharmakons zwischen den Membranlipiden und der umgebenden Flüssigkeit ist. Der Verteilungskoeffizient sollte eigentlich aus der Verteilung zwischen den Membranlipiden und dem Verteilungskoeffizient (VK):DiffusionGewebewasser bestimmt werden. Da dies praktisch nicht umzusetzen ist, bestimmt man den VK mit organischen Lösungsmitteln wie z.B. Octanol. Dies erlaubt eine gute Abschätzung der Lipophilie eines Pharmakons. Einige Beispiele dafür sind in Tabelle 1.4 aufgeführt.
Die Diffusion durch eine Lipidmembran hängt außerdem vom Octanol:VerteilungskoeffizientIonisationsgrad einer Substanz ab. Durch zunehmende Ionisation werden die lipophilen Eigenschaften stark verringert. Die Tatsache, dass organische Basen bzw. Säuren bevorzugt im nichtionisierten Zustand durch Lipidmembranen diffundieren, hat zu der Bezeichnung „nichtionische Diffusion“ (non-ionic diffusion) geführt. Der Ionisationsgrad einer Substanz wird durch die H+-Ionen-Konzentration der Lösung und ihre Dissoziationskonstante bestimmt. Nach der Diffusion:nichtionischeGleichung von Henderson und Hasselbalch gilt für ein saures Pharmakon:
Für ein basisches Pharmakon gilt:
Liegt z.B. der pH-Wert um eine Einheit über (saures Pharmakon) bzw. unter (basisches Pharmakon) dem pKa, so beträgt der Anteil der nichtionisierten Moleküle nur 9%.
Die pH-Abhängigkeit Arzneimittel(therapie):ionisierbareder Lipidlöslichkeit von Säuren und Basen hat auch erhebliche Konsequenzen für die Verteilung zwischen Flüssigkeitsräumen mit unterschiedlichem pH-Wert. Ein Konzentrationsausgleich kann sich nur zwischen den zur Membranpermeation fähigen Nichtionen ausbilden. Die Gesamtkonzentration (ionisierte + nichtionisierte Form) ist daher auf der Seite der stärkeren Ionisation größer als auf der Seite der geringeren Ionisation (Abb. 1.23). Basische Pharmaka häufen sich im Raum mit der höheren H+-Konzentration und saure Pharmaka im Raum mit der niedrigeren H+-Konzentration an. Man spricht vom Ionenfallen-Prinzip (ion trapping). Es ist von großer Bedeutung für die Verteilung ionisierbarer Pharmaka zwischen Mageninhalt und den Zellen der Magenschleimhaut sowie Tubulusharn und Blut (Kap. 1.4.5), da an diesen Stellen besonders große pH-Unterschiede auftreten können.
Filtration
Während bei der Diffusion nur die gelösten Teilchen in Bewegung sind, wandert bei der Filtration das Lösungsmittel zusammen mit den gelösten Teilchen durch die Membran (Abb. 1.22). Soweit diese Zellmembranpermeabilität:FiltrationTeilchen die Membran frei passieren können, entspricht ihre Konzentration im Filtration:ZellmembranpermeabilitätFiltrat der Konzentration der Ausgangslösung. Die Flüssigkeitsbewegung wird durch unterschiedlich hohen hydrostatischen Druck oder unterschiedlich hohe Osmolarität auf den beiden Seiten der Membran ausgelöst. Beide Kräfte können, wie z.B. an den Kapillaren, einander entgegengerichtet sein, sodass es beim Überwiegen der hydrostatischen Kräfte im arteriellen Teil zu einem Nettotransfer von Flüssigkeit aus dem Gefäß und beim Über wiegen der kolloidosmotischen Kräfte im venösen Teil zu einem Rückfluss kommt (Abb. 20.5).
Die Filtration im Glomerulus der Niere ist der erste Schritt bei der renalen Ausscheidung eines Pharmakons. Auch hierbei ist die Molekülgröße von entscheidender Bedeutung, da der Nieren:FiltrationTransport durch „Poren“ zwischen den Endothelzellen glomeruläre Filtrationerfolgen muss. Die „Poren“ sind aber so groß, dass auch relativ große Teilchen filtriert werden können (Kap. 1.4.5).
Carriervermittelter Transport
Viele von Zellen benötigte hydrophile Substanzen, wie z.B. Hexosen und Carrier-vermittelter Transport:ZellmembranpermeabilitätAminosäuren, sind zu groß, um durch „Poren“ der Zellmembran zu permeieren. Sie werden an Zellmembranpermeabilität:carriervermittelter Transportspezielle Trägermoleküle (Carrier, Transporter) gebunden und mit ihnen durch die Zellmembran transportiert. Wenn die treibende Kraft ein Konzentrationsgradient ist, wie z.B. beim Transport von Glucose durch die Erythrozytenmembran oder die kontraluminale Membran der Enterozyten, so bezeichnet man dies als erleichterte Diffusion (facilitated diffusion). Erfolgt der Transport „bergauf“, d.h. unter Energieverbrauch entgegen einem Konzentrationsgradienten, wie z.B. durch die luminale Membran der Enterozyten, so spricht man Diffusion:erleichtertevon einem aktiven Transport (Abb. 1.22).
Ein carriervermittelter Transport ist sättigbar und weist oft eine hohe strukturelle Spezifität auf, z.B. für eines von zwei Enantiomeren. Wichtige Beispiele sind der Transport indirekt wirkender Sympathomimetika in noradrenerge Axone (Abb. 4.5) und die Sekretionsmechanismen der Nierentubuli (Kap. 1.4.5) und der gallebildenden Leberzellen (Kap. 1.4.5). Von besonderem Interesse für die Pharmakokinetik sind sog. ABC-Transporter wie das vom ABCB1-(MDR1-)Gen codierte P-Glykoprotein (Pgp), die ABC-Transporter (ATP-binding cassette transporter)in Kapitel 1.4.5 genauer besprochen werden. Diese sind nicht nur an der intestinalen, renalen und biliären Elimination von Pharmaka P-Glykoprotein (Pgp)beteiligt, sondern auch an ihrer Verteilung. Das Vorkommen von Pgp ABCB1-Genin Hirnkapillaren erklärt die früher nicht so recht verstandene Tatsache, dass manche lipophile Pharmaka wie Loperamid (Kap. 7.3.4) die Blut-Hirn-Schranke nicht nennenswert durchdringen: sie werden nach Diffusion in die Endothelzelle durch Pgp wieder ins Kapillarlumen zurücktransportiert. Die Bedeutung von Transportern wie Pgp und weiteren Loperamid:Blut-Hirn-SchrankeVertretern aus der ABC-Transporter-Familie für Arzneimittelinteraktionen ist inzwischen gut belegt.
Vesikulärer Transport
Von der Zellmembran können sich unter ATP-Verbrauch Vesikel abschnüren und in das vesikulärer Transport:ZellmembranpermeabilitätZellinnere wandern (Endozytose) (Abb. 1.22Zellmembranpermeabilität:vesikulärer Transport). Durch Endozytose können auch sehr große Moleküle in die Zelle gelangen. Umgekehrt können intrazelluläre Vesikel mit der Zellmembran fusionieren und dabei die in ihnen enthaltenen Moleküle Endozytosenach außen freigeben (Exozytose). Ein transzellulärer Transport, d.h. Aufnahme durch Endozytose an der einen Zellwand und Abgabe durch Exozytose an der gegenüberliegenden Zellwand, wird auch als Transzytose bezeichnet. Von besonderer Exozytosephysiologischer Bedeutung ist die rezeptorvermittelte Endozytose von Lipoproteinen (LDL) oder Transferrin, die eine Bindung der zu transportierenden Substanz an Membranrezeptoren mit hoher Spezifität voraussetzt. Wegen ihrer relativ niedrigen Lipoproteine:rezeptorvermittelte EndozytoseTransportkapazität spielen vesikuläre Transportmechanismen für die Aufnahme von Pharmaka nur eine geringe Rolle. Bedeutung haben sie unter Umständen für die Aufnahme großer Moleküle, für deren Wirkung bereits sehr kleine Mengen ausreichen (z.B. Botulinustoxin, Abb. 2.3).

Aufnahme von Pharmaka in den Organismus – Resorption

Um systemisch wirken zu können, muss ein Pharmakon zunächst in die Blutbahn gelangen und an seinen Wirkorten transportiert werden. Nur bei Resorptionintravasaler Gabe gelangt ein Pharmakon direkt Arzneimittel(therapie):Resorptionins Blutplasma. Bei allen anderen Darreichungsarten muss es vom Applikationsort erst ins Blut aufgenommen werden. Dieser Vorgang wird als Resorption bezeichnet. Die Resorption eines Arzneistoffs wird nicht nur von den für die Permeation biologischer Membranen beschriebenen Gesetzmäßigkeiten bestimmt. Eine wichtige Rolle spielen die physikochemischen Eigenschaften und die Galenik (d.h. die pharmazeutisch-technologische Verarbeitung) des Arzneistoffes (Tab. 1.5 und Kap. 1.6).
Parenterale Applikation
Als „parenterale“ Gabe wird üblicherweise die Injektion eines Pharmakons bezeichnet, obwohl der Darm (griechisch εντερoν) auch bei anderen Applikationsarten als Resorptionsort umgangen wird. Wenn Applikation:parenteraleein Arzneistoff nicht genügend aus dem Darm resorbiert wird oder gegenüber Magensäure bzw. Enzymen des Verdauungstrakts nicht beständig ist, kann eine parenterale Gabe angezeigt sein. Dies gilt auch bei Erbrechen, starker Diarrhö oder bei bewusstlosen Patienten. Die parenterale Anwendung ist außerdem unabhängig von der Verlässlichkeit des Patienten bei der Einnahme (Compliance).
Intravenöse Injektion
Wird ein parenterale ApplikationPharmakon i.v. verabreicht, ist die verabreichte Dosis unmittelbar zu 100% im Organismus bioverfügbar und kann so bereits wenige Sekunden nach Injektion ihre Wirkung entfalten. Grundsätzlich intravenöse Injektionsollte eine i.v. Injektion nicht zu schnell erfolgen. Die bei einer Injektion entstehende hohe Konzentrationswelle (Bolus) im Blut kann zu unerwünschten Wirkungen führen. Nach der Injektion ist der Konzentrationsverlauf im Blut nicht mehr beeinflussbar, sondern wird von Verteilung und Ausscheidung bestimmt. Eine bessere Steuerbarkeit der Konzentration im Blut lässt sich mit einer i.v. Infusion erreichen. Durch Veränderung der Infusionsgeschwindigkeit kann die Zufuhr dem Bedarf angepasst werden.
Erfolgt eine i.v. Injektion langsam genug, so werden auch Pharmaka, die das Gefäßendothel stark reizen, meistens gut vertragen. Der Grund liegt in der schnellen Verdünnung, die das venöse Blut auf seinem Weg zum Herzen durch Zustrom aus einmündenden Venenästen erfährt (Abb. 1.24).
Intraarterielle Injektion
Die intraarterielle Injektion wird angewandt, wenn das Pharmakon gezielt in bestimmte Gefäßgebiete gebracht werden soll. Dies ist z.B. der Fall bei der Gefäßdarstellung durch Röntgenkontrastmittel. Auch Zytostatika werden intraarterielle Injektionmanchmal in eine Arterie, die den Tumor versorgt, injiziert. Damit soll zum einen eine unerwünschte Wirkung auf andere Körperzellen verringert, zum anderen aber auch die Wirkstoffkonzentration im Zielgewebe erhöht werden.
Zu beachten ist, dass gewebsschädigende Pharmaka bei i.a. Injektion in unverändert hoher Konzentration in die Endstrombahn gelangen (Abb. 1.24). Bei versehentlicher i.a. Injektion von Thiobarbituraten kann es z.B. zu einer Nekrose und dem anschließenden Verlust der betroffenen Extremität kommen.
Intramuskuläre und subkutane Injektion
Nach i.m. oder s.c. Injektion muss ein Pharmakon von der Injektionsstelle aus erst zu den Kapillaren diffundieren; die Wirkung tritt daher intramuskuläre Injektionlangsamer ein als nach i.v. Gabe. Wichtige Determinanten der subkutane InjektionResorptionsgeschwindigkeit sind die Löslichkeit des Pharmakons am Injektionsort und die lokale Durchblutung. Besonders rasch erfolgt die Resorption aus wässrigen Lösungen. Umgekehrt kann man die Resorption verzögern, indem man das Pharmakon in einer wenig wasserlöslichen Form injiziert. Beispiele dafür sind Procain-Penicillin oder Zink-Insulin. Ein über mehrere Wochen anhaltender Depoteffekt lässt sich durch Injektion lipophiler Pharmaka in öliger Lösung erzielen, etwa bei Fettsäureestern der Sexualhormone (Kap. 29.1).
Bei schlechter Durchblutung des Gewebes am Injektionsort kann die Resorption erheblich verzögert sein.
Nach i.m. und s.c. Injektion werden auch größere hydrophile Moleküle wie Heparin (MM ≈20.000) in die Blutbahn aufgenommen. Die Geschwindigkeit des Durchtritts verringert sich allerdings stark mit zunehmender Molekülgröße. So ist die Permeabilität der Muskelkapillaren für Plasmaalbumin (MM 69.000) 10.000-mal kleiner als für Glucose (MM 180).
Während ein Pharmakon bei i.v. Injektion rasch verdünnt wird (Abb. 1.24), bleibt es bei i.m. und s.c. Injektion unter Umständen längere Zeit in hoher Konzentration am Injektionsort. Die Gefahr einer lokalen Gewebeschädigung ist daher wesentlich größer. Zur i.v. Injektion vorgesehene Lösungen dürfen nicht ohne Weiteres auch i.m. oder s.c. injiziert werden. Die Lösungen müssen ausdrücklich für diesen Verwendungszweck deklariert sein, denn vor allem bei s.c. Injektion können schon relativ kleine Abweichungen von der Isotonie oder der physiologischen H+-Konzentration das Gewebe schädigen. Umgekehrt dürfen Depotpräparate, die Suspensionen fester Teilchen oder ölige Lösungen enthalten, niemals i.v. oder i.a. injiziert werden, da sie kleine Gefäße verlegen würden (Mikroembolien). Diese Gefahr besteht auch, wenn durch unsachgemäßes Vorgehen bei der i.m. Injektion versehentlich in ein Blutgefäß injiziert wird.
Resorption durch die Lunge
Über die Lungen können nicht nur gasförmige, sondern auch feste und flüssige Stoffe resorbiert werden, wenn sie fein verteilt Resorption:durch die Lungeals Aerosol vorliegen. Dabei spielt die Größe der Teilchen eine wichtige Rolle. Lunge:ArzneimittelresorptionTeilchen mit einem Durchmesser von > 10 μm erreichen nur die oberen Atemwege. Teilchen mit einem Durchmesser von 2–10 μm gelangen in die kleinen Bronchien sowie in die Bronchiolen, und Teilchen unter einem Durchmesser von 2 μm dringen bis in die Alveolen vor.
Der Stoffaustausch in der Lunge erfolgt an der Alveolarmembran. Die gesamte Alveolarfläche wird auf etwa 90 m2 geschätzt. Wegen dieser großen Austauschfläche und der starken Durchblutung können Pharmaka in der Lunge rasch resorbiert werden. Auch sind die Diffusionswege sehr kurz, da die Alveolarmembran nur aus Alveolarepithel und Kapillarendothel besteht (s.o., Tab. 1.3). Die Wirkung kann daher sehr rasch einsetzen, vergleichbar dem Wirkungseintritt nach i.v. Injektion. Auch wenn nur eine lokale Therapie im Bereich der Bronchien beabsichtigt ist, können nach Inhalation von Pharmaka systemische Wirkungen auftreten.
Weitere Faktoren, die die Geschwindigkeit der Aufnahme von Gasen in der Lunge bestimmen, werden in Kapitel 9.1.1 diskutiert.
Resorption aus dem Verdauungstrakt
Allgemeine Gesichtspunkte
Die einzelnen Abschnitte des Verdauungstrakts unterscheiden sich erheblich im Hinblick auf die für die Resorption zur Verfügung stehenden Oberflächen (Abb. 1.25).
Resorption:aus dem VerdauungstraktAufgrund der Morphologie der Schleimhaut (Falten, Zotten, Mikrovilli) steht besonders im Dünndarm eine große effektiv resorbierende Fläche zur Verfügung.
Der Übertritt in die Blut- und Lymphgefäße durch die Mucosa hindurch erfolgt großteils passiv durch Diffusion und wird vorwiegend von den Darm:Resorptionlipophilen Eigenschaften der Pharmaka bestimmt. Die Diffusion hydrophiler Substanzen durch „Poren“ ist nur begrenzt möglich. Das erklärt z.B., warum südamerikanische Indianer das Fleisch der mit ihren Pfeilen tödlich vergifteten Beutetiere unbeschadet essen können. Das Pfeilgift Curare wirkt nach dem „parenteralen“ Pfeilschuss tödlich, wird aber als positiv geladenes hydrophiles Molekül (MM 771; Tab. 1.4) aus dem „oral“ zugeführten Steak nur in sehr kleinen, toxikologisch unbedeutenden Mengen resorbiert.
Resorption aus der Mundhöhle
Lipophile Pharmaka werden über die Mundschleimhaut rasch resorbiert, wobei das Pharmakon unmittelbar in den Kreislauf gelangt, ohne Resorption:aus der Mundhöhlevorher die Leber zu passieren. Wegen der kleinen Oberfläche ist die Mundhöhle:ResorptionResorptionskapazität der Mundschleimhaut jedoch begrenzt (Abb. 1.25). Daher eignet sich diese Zufuhr nur für Arzneistoffe, die bereits in kleinen Dosen wirksam sind. Sie kommt vor allem in Betracht, wenn die Aufnahme in das systemische Blut aus dem Darm durch eine „präsystemische“ Metabolisierung (s.u.) unzureichend ist (z.B. Glyceroltrinitrat).
Eine besonders rasche Resorption lässt sich durch Zerbeißkapseln erreichen, die den Wirkstoff gelöst enthalten (z.B. Glyceroltrinitrat-Kapseln). Die Kapsel wird vom Patienten zerbissen und der flüssige Inhalt möglichst lange im Mund behalten. Langsamer erfolgt die Resorption aus Sublingual- bzw. Bukkaltabletten, die unter die Zunge oder zwischen Wangenschleimhaut und Oberkiefer gelegt werden und sich dort langsam auflösen.
Resorption nach oraler Gabe
Am häufigsten werden Pharmaka „oral verabreicht“, d.h. geschluckt, sodass sie aus dem Magen-Darm-Trakt resorbiert werden müssen. Ausmaß und Geschwindigkeit der enteralen Resorption hängen von orale Applikation:Resorptioneiner Vielzahl von Faktoren ab (Tab. 1.5).
Resorption aus dem Magen: Da Ionen nicht lipophil sind, werden Pharmaka, die im sauren Magensaft ionisiert sind, nur beschränkt resorbiert. Dies betrifft vor allem stärker basische Pharmaka Magen:Resorptionund starke Säuren. Saure Pharmaka können sich nach oraler Gabe infolge der pH-Differenz zwischen Magensaft und Mucosazelle in der Schleimhaut anreichern (s.o., Abb. 1.23). Dies ist neben der Hemmung der Cyclooxygenase (Kap. 7.2) mitverantwortlich für die bei Salicylsäure und anderen Säuren aus der Gruppe der nichtsteroidalen Antirheumatika beobachtete Schädigung der Magenschleimhaut. Manche Pharmaka, wie die nicht säurebeständigen Penicilline, werden durch die hohe H+-Konzentration im Magensaft zerstört.
Wegen der relativ kleinen Resorptionsfläche (Abb. 1.25) und der im Vergleich zum Dünndarm wesentlich geringeren Vaskularisation ist die Resorption von Pharmaka aus dem Magen quantitativ von geringerer Bedeutung. Je schneller der Mageninhalt weitertransportiert wird, desto schneller gelangt das Pharmakon in den für die Resorption wichtigeren Dünndarm. Eine große Rolle für die Schnelligkeit des Wirkungseintritts spielt daher die Entleerungszeit des Magens, die durch viele Faktoren beeinflusst wird (Tab. 1.6).
Pharmaka, die die Magenentleerung verlangsamen, können daher auch die Resorption eines anderen Pharmakons erheblich verlangsamen (Abb. 1.26). Umgekehrt lässt sich die Förderung der Magenentleerung durch Metoclopramid (Kap. 23.3.2) dazu ausnützen, die Resorption anderer Pharmaka zu beschleunigen.
Resorption aus dem Darm: Der Metoclopramid:MagenentleerungHauptresorptionsort für Pharmaka nach oraler Gabe ist wegen seiner großen Oberfläche (Abb. 1.25) und seiner starken Vaskularisation der Dünndarm. Die Darm:ResorptionResorption im Dickdarm hat wegen seiner kleineren resorbierenden Oberfläche quantitativ nur geringe Bedeutung. Außerdem gelangen viele Pharmaka nach oraler Anwendung kaum noch in den Dickdarm, weil sie bereits im Dünndarm fast vollständig resorbiert werden. Eine Sonderstellung nehmen Retardformen ein, die auch im Dickdarm noch größere Mengen des Arzneistoffs freisetzen können. Auch wenn die Passage im Dünndarm beschleunigt ist (z.B. durch Diarrhö oder Laxantien), kann die Resorption im Dickdarm an Bedeutung gewinnen.
Werden Pharmaka im Verhältnis zur Passagezeit des Dünndarms (ca. 7 h mit erheblichen interindividuellen Unterschieden) rasch resorbiert, ist die resorbierte Menge praktisch unabhängig von der Passagezeit im Darm. Bei Retardzubereitungen, aus denen ein Arzneistoff nur langsam in Lösung geht und langsam resorbiert wird, kann das Ausmaß der Resorption dagegen erheblich durch unterschiedliche Passagezeiten beeinflusst werden.
Präsystemische Elimination und First-Pass-Effekt: Beim Durchtritt durch die Mucosa von Magen und Dünndarm können Pharmaka erheblich metabolisiert werden (intestinaler First-Pass-Elimination:präsystemischeEffekt). Nach Durchtritt durch die Mucosa gelangt ein Pharmakon mit dem Pfortaderblut in die Leber. Manche Pharmaka werden bereits bei Darm:First-Pass-Effektder ersten Passage („first pass“) durch die Leber weitgehend First-Pass-Effekt:intestinaleraus dem Blut entfernt (hepatischer First-Pass-Effekt). Bei solchen Pharmaka gelangt auch bei vollständiger Resorption aus dem Darm nur ein Bruchteil der oral zugeführten Dosis in den Leber:First-Pass-Effektsystemischen Kreislauf. So erklärt es sich, dass First-Pass-Effekt:hepatischerbeispielsweise die orale Dosis von Propranolol um ein Vielfaches höher sein muss als die parenterale. Beispiele von Pharmaka mit präsystemischer Elimination sind in Tabelle 1.7 zusammengestellt.
Einfluss von Magen- und Darminhalt: Gleichzeitige Nahrungsaufnahme wirkt sich durch Verzögerung der Magenentleerung und Adsorption an Nahrungsbestandteile oft hemmend auf die Resorptionsgeschwindigkeit von Pharmaka aus (Tab. 1.6). Andererseits kann die Resorption lipophiler Pharmaka, die wegen geringer Wasserlöslichkeit nur schlecht resorbiert werden, bei Einnahme mit fettreicher Nahrung erheblich zunehmen.
Tetracycline bilden mit polyvalenten Kationen (Ca2+, Mg2+, Fe2+) schwer lösliche Komplexe. Daher wird ihre Resorption bei gleichzeitiger Einnahme von Antazida oder Eisenpräparaten erheblich vermindert.Tetracycline:Komplexbildung Auch Milch hemmt die Resorption einiger Tetracycline, was durch Chelatbildung mit den in der Milch enthaltenen Ca2+-Ionen erklärt wird. Die Resorption der Tetracycline Doxycyclin und Minocyclin wird aber durch Milch nicht beeinträchtigt.
Diese Tetracycline:ChelatbildungBeispiele zeigen, dass die Resorption von Arzneistoffen nach oraler Gabe einer Vielzahl von Einflussfaktoren unterworfen ist, deren Auswirkung im Einzelfall schwer abzuschätzen ist. Grundsätzlich lassen sich solche Interaktionen vermeiden, wenn der Arzneistoff in genügendem zeitlichem Abstand (ca. 2 h) von der Aufnahme von Nahrung und anderen Arzneistoffen eingenommen wird. Allerdings werden viele Arzneistoffe bei Einnahme auf nüchternen Magen schlecht vertragen.
Resorption aus dem Rektum
Wegen der geringen resorbierenden Oberfläche des Rektums (Abb. 1.25) und schwer kontrollierbarer Einflussfaktoren wie Füllung Resorption:rektaleund Defäkation ist die Resorption aus dem Rektum rektale Applikation:Resorptionunzuverlässig. Damit ist diese Applikationsform ungeeignet für Arzneistoffe, bei denen es auf eine exakte Dosierung ankommt, wie z.B. Arzneistoffe mit geringer therapeutischer Breite. Eine ausreichende und reproduzierbare Resorption ist am ehesten bei lipophilen Pharmaka in geeigneter galenischer Zubereitung zu erwarten. Wenn die orale Einnahme z.B. wegen Erbrechen oder Übelkeit nicht möglich ist, kann eine rektale Applikation sinnvoll sein. Da das venöse Blut aus den unteren Abschnitten des Rektums nicht durch die Leber fließt, lässt sich ein hepatischer First-Pass-Effekt durch rektale Applikation weitgehend umgehen.
Resorption über andere Schleimhäute
Auch über andere Schleimhäute als die des Gastrointestinaltrakts werden lipophile Substanzen gut resorbiert. Dies ist z.B. bei der Anwendung von Augentropfen zu bedenken. Auch wenn nur die lokale Anwendung beabsichtigt ist, muss mit einer systemischen Wirkung gerechnet werden, zumal die AugentropfenResorption nicht nur über die Konjunktiva, sondern – nach Passage des Resorption:konjunktivaleTränenkanals – auch über die stark vaskularisierte Resorption:NasenschleimhautNasenschleimhaut erfolgt. Zwar sind die in Konjunktiva:Resorptionden Konjunktivalsack eingebrachten Flüssigkeitsmengen von 1 bis 2 Tropfen gering, sie enthalten aber wegen sehr hoher Konzentrationen oft erhebliche Wirkstoffmengen (Nasenschleimhaut:Resorption Tab. 1.8).
Blutdrucksenkungen wurden bei der Anwendung von Clonidin-Augentropfen beobachtet, Bradykardien sowie Asthmaanfälle bei der Anwendung von Timolol-Augentropfen, Asthmaanfälle bei Pilocarpin-Clonidin:AugentropfenTropfen.
Systemische Wirkungen können auch bei lokaler Anwendung an der Nasenschleimhaut eintreten. Aus Timolol:Augentropfendiesem Grund schnupft man Cocain und Pilocarpin:AugentropfenTabak. Auch schleimhautabschwellende Nasentropfen können vor allem bei Säuglingen systemische Wirkungen Kokainhaben (Kap. 4.2.5). Interessanterweise Tabakpermeieren selbst hydrophile Substanzen mit höherem Molekulargewicht die Nasenschleimhaut in Nasentropfen:Resorptiongewissem Ausmaß. Von intranasal appliziertem Insulin (MM < 6.000) werden je nach den verwendeten galenischen Hilfsstoffen zwischen 2 und 60% resorbiert. Als praktikabel hat sich die Zufuhr über die Nasenschleimhaut bei der Therapie mit Insulin:intranasal appliziertesbestimmten Peptidhormonen erwiesen (z.B. Oxytocin).
Auch über die Schleimhaut der Harnblase können Pharmaka resorbiert werden. Wenn bei Blasenspülungen die Spülflüssigkeit nicht vollständig entleert wird, kann es zu systemischen Wirkungen Harnblasenschleimhaut:Resorptionkommen. Tödliche Vergiftungen wurden bei der Verwendung von Borsäurelösungen als Spülflüssigkeit beobachtet.
Zur Oberflächenanästhesie von Schleimhäuten angewandt, werden Lokalanästhetika unter Umständen in toxischer Menge resorbiert; Maximaldosen sind daher auch bei dieser Applikationsweise zu berücksichtigen (Tab. 8.3).
Resorption über die Haut
Oberflächenanästhesie:SchleimhäuteLipophile Pharmaka können auch über die Haut resorbiert werden. Man hat sich dies durch die Applikation:kutaneEinführung sogenannter transdermaler therapeutischer Systeme zunutze gemacht (vgl. Kap. 1.6). Haut:ResorptionHydrophile und höhermolekulare Pharmaka werden aber Resorption:kutanekaum oder gar nicht resorbiert. Die Wirkung von hydrophilen Desinfektionsmitteln, z.B. Invertseifen, bleibt auf die Hautoberfläche beschränkt, während die lipophilen Phenole resorbiert werden und damit systemisch toxisch wirken können. Im Vergleich zu den Schleimhäuten ist die Resorption durch die Haut wesentlich geringer. Haupthindernis ist das verhornte Epithel (Phenole:kutane ResorptionStratum corneum) mit seinem relativ geringen Wassergehalt von 5–10% gegenüber 70% im Korium. Ist das Epithel z.B. bei einer Verbrennung beseitigt, kann die Resorption stark zunehmen. Auch bei erythematösen oder exfoliativen Veränderungen ist die Permeabilität der Haut um ein Vielfaches erhöht. Durch Abdecken der Haut mit wasserundurchlässigen Salben oder Folien (Okklusivverbände) lässt sich der Wassergehalt der oberen Hautschicht vermehren und die Resorption verbessern. Als weitere Möglichkeit bietet sich die Anwendung hyperämisierender Substanzen (z.B. Benzylnicotinat) oder von Okklusivverbände„Schleppersubstanzen“ (DMSO = Dimethylsulfoxid) an.

Verteilung von Pharmaka

Verteilungsräume
Ist ein Pharmakon durch intravasale Applikation oder durch Resorption ins Blut gelangt, so verteilt es sich mit dem Verteilung von PharmakaBlutstrom im Körper. In welche Verteilungsräume es dabei eintritt, Arzneimittel(therapie):Verteilungdas hängt einerseits von seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Molekülgröße und Lipophilie, andererseits von den Eigenschaften der begrenzenden biologischen Membranen ab. Von prinzipieller Bedeutung sind dabei der intravasale, der interstitielle und der intrazelluläre Raum (Abb. 1.27).
Lipophile Pharmaka können den interstitieller RaumIntravasalraum rasch verlassen. Von besonderen Fällen (intrazellulärer RaumBlut-Hirn-, Blut-Hoden-Schranke) abgesehen, können auch hydrophile Pharmaka das Kapillarendothel passieren, wobei größere Moleküle (MM > Intravasalraum:Verteilung von Pharmaka90–120) auf den parazellulären Weg angewiesen sind, auf dem auch Moleküle mit einer MM von 80.000 (z.B. Transferrin) permeieren können. Die meisten Pharmaka können sich somit zumindest im extrazellulären Flüssigkeitsraum verteilen.
Organdurchblutung und Verteilung
Nach einer i.v. Injektion gelangt ein Pharmakon mit dem Blutstrom zunächst bevorzugt in die am stärksten durchbluteten Organe (Abb. 1.28).
Handelt es sich um ein Pharmakon, das rasch in die Gewebe permeieren kann, so erreicht es deshalb initial in den gut durchbluteten Organen weit Organdurchblutung:Verteilung der Pharmakahöhere Konzentrationen als in den weniger gut durchbluteten. Erst später kommt es zum Ausgleich. Das bedeutet, dass im Anschluss an die initiale Verteilung eine Umverteilung aus den gut durchbluteten in die weniger gut durchbluteten Organe stattfindet. Besitzen die weniger gut durchbluteten Gewebe eine größere Speicherkapazität für das Pharmakon, kann die Verschiebung so beträchtlich werden, dass eine initial in den stark durchbluteten Geweben aufgetretene Wirkung durch Umverteilung schnell aufhört, obwohl von der verabfolgten Dosis noch kaum etwas eliminiert wurde. Eine solche Umverteilung ist z.B. für die rasche Beendigung der Narkosewirkung nach i.v. Injektion von Thiobarbituraten verantwortlich (Abb. 9.8).
Bindung an Plasmaproteine
Die meisten Pharmaka werden im Plasma in mehr oder weniger hohem Ausmaß reversibel an Proteine gebunden. Eine besondere Rolle kommt hierbei dem Plasmaproteinbindung von PharmakaAlbumin zu, das vor allem für saure Pharmaka wie Phenprocoumon und Salicylsäure eine hohe Affinität besitzt. Pharmaka können aber auch an andere Proteine des Plasmas gebunden werden. Albumin:Bindung von PharmakaFür die Bindung von lipophilen basischen Pharmaka wie Chinidin, Propranolol und Imipramin spielt vor allem das saure α1-Glykoprotein eine Rolle.
Die Bindung an Proteine lässt sich durch Assoziationskonstanten und maximale Bindungskapazitäten charakterisieren. Bei der Mehrzahl der Pharmaka ist der Glykoproteine:<03B1>1-Glykoproteingebundene Anteil im therapeutischen Konzentrationsbereich praktisch konstant. Für praktische Zwecke begnügt man sich daher häufig mit der Angabe des gebundenen Anteils (in Prozent). Einige Beispiele finden sich in Tabelle 1.9.
Der an Proteine gebundene Anteil stellt gleichsam ein „Reservoir“ dar. Der große, wenig lipophile Protein-Pharmakon-Komplex kann biologische Membranen kaum permeieren und daher im Allgemeinen weder zum Wirkort gelangen noch ausgeschieden werden. Eine hohe Plasmaproteinbindung kann daher die Elimination eines Pharmakons verlangsamen. Da sich das Gleichgewicht zwischen gebundenem und freiem Anteil aber sehr rasch (innerhalb von Millisekunden) einstellt, werden bei einer Abnahme der freien Konzentration gebundene Pharmakonmoleküle wieder aus der Bindung freigesetzt. Pharmaka, die sehr schnell aus dem Leberblut in die Leberzellen aufgenommen (First-Pass-Effekt) oder in den Nierentubuli sezerniert werden, werden daher trotz hoher Plasmaproteinbindung rasch ausgeschieden. So wird z.B. Verapamil, das im Plasma zu 90% an Proteine gebunden ist, bei der Leberpassage zu 80% aus dem Blut entfernt. Oxacillin wird trotz einer Verapamil:PlasmaproteinbindungPlasmaproteinbindung von 90% sehr rasch über die Niere ausgeschieden.
Das Ausmaß der Plasmaproteinbindung kann durch eine Reihe von Faktoren verändert werden. Eine verringerte Bindung Oxacillin:Plasmaproteinbindungvieler Pharmaka findet man beispielsweise bei Neugeborenen und bei Erkrankungen der Nieren und der Leber. Die Konzentration des sauren α1-Glykoproteins und damit die Bindung lipophiler Basen kann bei Entzündungen, Tumoren und Herzinfarkt zunehmen. Außerdem können sich Pharmaka gegenseitig aus ihrer Bindung verdrängen. Auf die sich aus einer Änderung der Plasmaproteinbindung ergebenden Konsequenzen wird später eingegangen (Kap. 1.5.3 „Änderungen der Bindung von Pharmaka“).
Bindung und Speicherung im Gewebe
Außer an Plasmaproteine können Pharmaka auch erheblich an Gewebe gebunden werden. Berücksichtigt man, dass allein die Muskulatur ca. 40% des Körpergewichts ausmacht, so wird Gewebebindung/-speicherung von Pharmakaverständlich, dass der Gewebebindung theoretisch eine größere quantitative Bedeutung zukommt als der Plasmaproteinbindung.
Da sich die Gewebebindung aber zumindest beim Menschen experimentell nur schwer bestimmen lässt, ist darüber nicht viel bekannt. Es hat sich gezeigt, dass die Bindung der meisten Pharmaka im Gewebe nicht durch eine Bindung an das extravaskuläre Albumin, das 50–60% des gesamten Albuminpools ausmacht, erklären lässt. Pharmaka können an eine Vielzahl von Gewebeproteinen (z.B. kontraktile Proteine der Muskulatur; Glutathion-S-Transferase der Leber; Kap. 1.4.4) und an Membranphospholipide (Zellmembranen, endoplasmatisches Retikulum) gebunden werden. Rückschlüsse von der Plasmaprotein- auf die Gewebebindung sind daher meist nicht möglich.
Lipophile Substanzen können im Fettgewebe hohe Konzentrationen erreichen. Halogenierte Kohlenwasserstoffe wie das Insektizid DDT (Chlorfenotan) Fettgewebe:Bindung von Pharmakaakkumulieren im Fettgewebe. Dies kann innerhalb der biologischen Nahrungskette zu einer Anreicherung um mehrere Zehnerpotenzen führen (Kap. 36.6.2).
Im DDT (Chlorfenotan):FettgewebebindungKnochengewebe werden Substanzen wie Blei (Knochengewebe:Speicherung von Pharmaka Kap. 36.5.2) und Strontium gespeichert, die sich chemisch ähnlich wie Calcium verhalten oder wie die Blei:Speicherung im KnochengewebeTetracycline mit dem Calcium Chelate bilden.

Elimination von Pharmaka durch Metabolismus

Bedeutung des Metabolismus für Elimination und Wirkung
Strontium:Speicherung im KnochengewebeDer Elimination von Pharmaka:durch MetabolismusMensch nimmt mit der Nahrung neben den für Aufbau und Energiegewinnung notwendigen Metabolismus/Metabolisierung:EliminationNährstoffen ca. 10.000 nicht verwertbare chemische Verbindungen (Fremdstoffe Arzneimittel(therapie):Eliminationoder Xenobiotika) auf. Allein im Kaffee sind mehr als 300 Substanzen identifiziert worden. Substanzbelastung und mögliche Gesundheitsgefährdung durch diese Fremdstoffe sind erheblich, da allein die tägliche Nahrung etwa 1,5 g natürliche, aus Pflanzen stammende Pestizide (z.B. Pflanzenphenole, Flavonoide, Saponine) und natürliche Karzinogene (z.B. Aflatoxine, Pyrrolizidinalkaloide, D-Limonen) enthält. In der Regel handelt es sich bei diesen Substanzen um unpolare, d.h. lipophile Verbindungen. Aufgrund ihrer Fettlöslichkeit werden sie im Gastrointestinaltrakt sehr gut resorbiert, können jedoch in unveränderter Form nur sehr langsam renal oder biliär ausgeschieden werden. Ohne chemische Veränderung würden sie daher wegen ihrer langsamen Exkretion kumulieren und den Organismus schädigen.
Warum Pflanzen eine so große Zahl von Stoffen synthetisieren, die für den eigenen Energiestoffwechsel und das Wachstum bedeutungslos sind, lässt sich so erklären, dass diese Substanzen als Fraßgifte (sog. Phytoalexine) dienen, die andere Lebewesen davon abhalten sollen, sie zu verzehren. Als Reaktion darauf haben alle Lebewesen, die auf Pflanzen als Nahrung angewiesen sind, Abwehrmechanismen in Form von Enzymsystemen Phytoalexineentwickelt, um die mit der Nahrung aufgenommenen Phytoalexine durch Biotransformation in weniger toxische Stoffwechselprodukte zu überführen und schneller ausscheiden zu können. Wegen der unterschiedlichen chemischen Strukturen der Phytoalexine müssen die sie abbauenden Enzyme eine sehr breite Substratspezifität haben. Ihre breite Substratspezifität versetzt sie auch in die Lage, Arzneistoffe und eine Vielzahl synthetischer chemischer Verbindungen abzubauen. Deshalb werden sie als fremdstoffmetabolisierende Enzyme bezeichnet.
Bei den durch fremdstoffmetabolisierende Enzyme katalysierten Biotransformationsreaktionen wird Fremdstoff metabolisierende EnzymeEnzyme:fremdstoffmetabolisierendezwischen Phase-I- und Phase-II-Reaktionen unterschieden.
  • Die Phase-I-Reaktionen sind Phase-I-MetabolismusPhase-II-MetabolismusFunktionalisierungsreaktionen. Sie führen funktionelle Gruppen in das unpolare Molekül ein oder legen entsprechende funktionelle Gruppen frei. Wichtige Phase-I-Funktionalisierungsreaktionen:fremdstoffmetabolisierende EnzymeReaktionen sind Oxidation, Reduktion, Hydrolyse und Hydratisierung.

  • Die Phase-II-Reaktionen sind Konjugationsreaktionen, die durch Transferasen katalysiert werden. Im Rahmen dieser Phase-II-Reaktionen werden funktionelle Gruppen z.B. mit sehr polaren, negativ geladenen endogenen Molekülen gekoppelt. Konjugation:Phase-II-ReaktionenWichtige Phase-II-Reaktionen sind Glucuronidierung, Sulfatierung, Methylierung, Acetylierung sowie die Konjugation mit Aminosäuren und Glutathion.

Die in Phase-I-Reaktionen katalysierte Einführung funktioneller Gruppen ist häufig Voraussetzung dafür, dass Arzneistoffe Substrate für Phase-II-Reaktionen sind. Besitzt allerdings ein Arzneistoff bereits für die Konjugation geeignete funktionelle Gruppen, kann auch ohne vorgeschaltete Phase-I-Reaktion eine direkte Konjugation erfolgen. In der Regel sind Phase-II-Metaboliten unwirksam. Die entstehenden Konjugate sind sehr polar, damit gut wasserlöslich und können somit schneller renal und biliär ausgeschieden werden (Abb. 1.29).
Modellrechnungen haben ergeben, dass bei alleiniger renaler Ausscheidung sich die Elimination lipophiler Arzneistoffe über Monate erstrecken würde. Die Richtigkeit dieser theoretischen Überlegungen kann man bei bestimmten Patientengruppen experimentell belegen. Dafür ein Beispiel:
Einige Arzneistoffe, wie das für die Behandlung der Angina pectoris eingesetzte Perhexilin4

4

Perhexilin wird in Deutschland nicht mehr benutzt. Der Grund dafür, dass es aus dem Verkehr gezogen wurde, waren schwere periphere Polyneuropathien und Hepatotoxizität. Retrospektive Untersuchungen zeigten, dass diese schweren Nebenwirkungen nahezu ausschließlich bei Patienten mit defektem Cytochrom-P450-2D6 auftraten. In Australien wird Perhexilin nach wie vor therapeutisch eingesetzt: Durch vorherige Identifizierung der Risikopatienten und entsprechende Dosisreduktion lassen sich Nebenwirkungen vermeiden.

, werden nahezu ausschließlich über das Cytochrom-P450-2D6 verstoffwechselt. Doch 5–10% der Bevölkerung in Europa besitzen aufgrund Perhexilingenetischer Defekte kein funktionsfähiges Cytochrom-P450-2D6 (Kap. 1.4.6). Da Perhexilin bei den davon Cytochrom-P450-2D6-MangelBetroffenen nur in sehr geringem Umfang hydroxyliert wird und somit mangels geeigneter funktioneller Gruppen Phase-II-Reaktionen nicht möglich sind, stellt die renale Ausscheidung der unveränderten Substanz den einzigen Eliminationsweg dar. Bedingt durch die sehr hohe Lipophilie, ist die renale Clearance des Perhexilins aber sehr niedrig. Aus diesem Grunde ist die Eliminationshalbwertszeit, die normalerweise 30–50 Stunden beträgt, bei Patienten mit Cytochrom-P450-2D6-Mangel auf 800–1000 Stunden verlängert. Durch Ausfall des Metabolismus dauert somit die Elimination der Substanz aus dem Organismus ca. 7 Monate. Bei vorhandenem Metabolismus erfolgt die vollständige Elimination innerhalb von 6 bis 10 Tagen (Abb. 1.30).
Der Phase-I- und Phase-II-Metabolismus ist somit entscheidend für die schnelle Elimination von lipophilen Arzneistoffen und Fremdstoffen. Darüber hinaus stellt der Metabolismus ein Entgiftungs- und Inaktivierungssystem dar, da viele Metaboliten entweder unwirksam sind oder deutlich abgeschwächt wirken. Allerdings ist eine Reihe von Phase-I-Metaboliten selbst pharmakologisch wirksam, oder der Metabolit stellt das eigentliche Wirkprinzip dar. Man bezeichnet die Ausgangssubstanz dann als „Pro-Drug“ (vgl. Kap. 1.2.1). So wird die analgetische Wirkung von Codein ausschließlich durch dessen Metaboliten Morphin vermittelt.
Enzyme und Reaktionen des Phase-I-Metabolismus
Cytochrom-P450-Enzyme
Pro-DrugsFür den oxidativen Phase-I-Metabolismus sind die mischfunktionellen Phase-I-MetabolismusCytochrom-P450-EnzymeMonooxygenasen die zentralen Enzyme. Sie führen eine Vielzahl von Phase-I-MetabolismusFunktionalisierungsreaktionen durch (Tab. 1.10).
Die charakteristischen Bestandteile sind Monooxygenasen:mischfunktionelleHämoproteine mit einem Molekulargewicht zwischen 45 und 55 kD, die in der Membran des endoplasmatischen Retikulums verankert sind und als Cytochrom-P450-Enzyme bezeichnet werden. Der Name leitet sich davon her, dass das Cytochrom im reduzierten Zustand und nach Begasung mit CO ein Cytochrom-P450-EnzymeDifferenzspektrum mit einem Absorptionsmaximum bei 450 nm Hämoproteine:Cytochrom-P450-Enzymezeigt. Die Reaktionen benötigen außer Cytochrom P450 molekularen Sauerstoff und NADPH, ferner NADPH-Cytochrom-P450-Oxidoreduktase (POR) und Phospholipide, insbesondere Phosphatidylcholin. Im Rahmen dieser Reaktion wird ein Sauerstoffatom aus molekularem Sauerstoff auf das Substrat übertragen. Das andere Sauerstoffatom wird zu Wasser reduziert (Abb. 1.31).
Die Cytochrom-P450-Enzyme kommen ubiquitär vor, in Bakterien, Pflanzen und Tieren. Die nahezu 500 bisher bekannten Cytochrom-P450-Gene haben sich in der Evolution aus einem gemeinsamen Vorläufergen entwickelt, das vor 3 bis 3,5 Milliarden Jahren entstanden sein dürfte. Die Einteilung der Gene in Genfamilien, Subfamilien und innerhalb einer Subfamilie in die entsprechenden Isoformen erfolgt aufgrund der Sequenzhomologie. Als Abkürzung für Cytochrom P450 wird dabei CYP verwendet. Entsprechend dem Grad der Homologie in der Aminosäurensequenz werden alle Enzyme, die eine Sequenzhomologie von > 40% haben, einer Familie zugeordnet (z.B. der Familie CYP 2). Innerhalb einer Genfamilie werden die Enzyme Subfamilien (z.B. der Subfamilie CYP 2C) zugeordnet, wobei die Sequenzhomologie der Isoformen innerhalb einer CYP 2Subfamilie > 55% ist (z.B. die Isoformen CYP 2C8, 2C9, 2C19 usw.).
Beim Menschen sind bisher 57 unterschiedliche funktionelle CYP-CYP 2CGene identifiziert worden, die in 18 Familien und 44 Subfamilien eingeteilt werden (http://drnelson.uthsc.edu/cytochromeP450.html, http://www.cypalleles.ki.se). Die für den Arzneimittelstoffwechsel relevanten 12 CYP-GeneIsoformen gehören 7 Subfamilien der Genfamilien 1, 2 und 3 an (Abb. 1.32).
Die übrigen CYP-Enzyme aus 11 verschiedenen Genfamilien sind an Synthese und Metabolismus von Thromboxan, Prostacyclin, Cholesterin, Vitamin D3, Gallensäuren und Steroidhormonen beteiligt.
Charakteristisch für die am Arzneimittelmetabolismus beteiligten CYP-Enzyme ist ihre breite Substratspezifität, sodass Arzneistoffe mit sehr unterschiedlicher chemischer Struktur durch ein und dasselbe Enzym verstoffwechselt werden. Häufig ist auch ein Arzneistoff Substrat für mehrere CYP-EnzymeCYP-Enzyme. Dabei können aus dem Arzneistoff unterschiedliche Metaboliten entstehen, die durch ein oder mehrere CYP-Enzyme gebildet wurden (Abb. 1.33).
Die Leber ist das Organ mit dem höchsten CYP-Enzym-Gehalt des Organismus. Sie enthält 90–95% des gesamten CYP. Dabei entfallen 60–65% ihres CYP-Gehalts auf Enzyme, die den Arzneistoffmetabolismus katalysieren. Mit ca. 30% des CYP-Gehalts ist CYP Leber:CYP-Enzym-Gehalt3A4 das wichtigste Cytochrom P450. 60% aller therapeutisch eingesetzten Arzneistoffe sind CYP-3A4-Substrate. Die Isoformen der 2C-Familien machen 30%, CYP 1A2 CYP 3A4etwa 15%, CYP 2A6, CYP 2B6 und CYP 2D6 zusammen etwa 10–15% und CYP CYP 1A22E1 etwa 10% des CYP 2A6CYP-Gehalts aus. Im Falle der CYP-Enzyme CYP 2B62B6, CYP 2D62C19 und CYP 2E12D6 ist der Gehalt sehr variabel, da sie einen genetischen Polymorphismus aufweisen (Kap. 1.4.6). CYP 2B6Aber auch bei der Expression von CYP CYP 2C193A4 werden bis zu 50-CYP 2D6fache interindividuelle Unterschiede beobachtet. Da die Geschwindigkeit, mit der ein Arzneistoff abgebaut wird, im Wesentlichen von der Enzymmenge abhängt, erklären sich so interindividuelle CYP 3A4Unterschiede in der Eliminationsgeschwindigkeit von Arzneistoffen, die Substrate für diese CYP-Enzyme sind.
Die Kenntnis der am Abbau von Arzneistoffen beteiligten Enzyme erlaubt darüber hinaus eine Aussage über Interaktionsmöglichkeiten im Sinne einer Induktion oder Hemmung (s.u.). Bestimmte CYP-Isoenzyme sind durch Nahrungsbestandteile, Genussmittel und Arzneistoffe induzierbar, andere nicht. Dabei ist eine gewisse Selektivität in der Induktion bestimmter Isoenzyme zu beobachten. So führen Inhaltsstoffe CYP-Isoenzymedes Zigarettenrauchs vornehmlich zu einer Induktion von CYP 1A2, während Enzyme der CYP-2C-Subfamilie und CYP 3A4 nicht durch Rauchen induziert CYP 1A2:Induktion durch Zigarettenrauchwerden. Im Gegensatz dazu kommt es durch CYP 2CRifampicin zu einer sehr ausgeprägten Induktion von CYP CYP 3A43A4 und Enzymen der 2C-Subfamilie.
Nicht-CYP-Oxidationsenzyme
Rifampicin:CYP-3A4-InduktionNeben den mischfunktionellen Monooxygenasen CYP 3A4:Induktionsind weitere Enzyme an der Oxidation von Arzneistoffen im Rahmen des Phase-I-Metabolismus Nicht-CYP-Oxidationsenzymebeteiligt. Die meisten davon dienen auch wesentlich der Verstoffwechslung endogener Substrate.
Als Erstes seien die Alkoholdehydrogenasen (ADH)Oxidationsenzyme genannt. Sie dehydrieren primäre und sekundäre Alkohole zu Aldehyden und Ketonen. Sie sind dimere zytosolische Enzyme und vor allem in der Leber, den Nieren und der Lunge lokalisiert. Die durch Alkoholdehydrogenase (ADH)ADH-Enzyme katalysierten Reaktionen sind NAD-abhängig (Abb. 1.34).
Die menschliche Genfamilie der ADH wird in die Subfamilien I–V eingeteilt. Bisher sind 7 Isoenzyme bekannt, die von verschiedenen Genen codiert werden. Die Isoenzyme der Subfamilie I (ADH 1, ADH s. Alkoholdehydrogenase2 und 3) sind wesentlich an der Oxidation von Ethanol beteiligt. Für zahlreiche ADHs (z.B. ADH 1, 2 und 3) wurden genetische Varianten beschrieben (Tab. 1.14).
Aldehyde können im Intermediärmetabolismus durch verschiedene Enzyme oxidiert werden, z.B. durch die Aldehyddehydrogenasen (ALDH). Aufgrund der breiten Substratspezifität der ALDH-Enzyme werden aliphatische und aromatische Aldehyde ALDH s. Aldehyddehydrogenaseoxidiert, in der Regel zur korrespondierenden Carbonsäure (Abb. 1.35).Aldehyddehydrogenase (ALDH)
Die Reaktion ist meist NAD-, seltener NADP-abhängig. Es sind derzeit 12 menschliche ALDH-Gene bekannt, die die Synthese der entsprechenden Isoenzyme codieren. Die ALDH-Enzyme unterscheiden sich teilweise erheblich in ihrer Aminosäurensequenz. Sie sind in der Zelle mikrosomal, zytosolisch und mitochondrial lokalisiert. Die ALDH 1 (= zytosolisch) und die ALDH 2 (= mitochondrial) kommen hauptsächlich in der Aldehyddehydrogenase (ALDH):zytosolische (ALDH 1)Leber vor. Für die ALDH 2 wurde ein genetischer Polymorphismus beschrieben (Tab. 1.14), der für das Flush-Aldehyddehydrogenase (ALDH):mitochondriale (ALDH 2)Syndrom (Palpitationen, Schweißausbruch, Hautrötung, Übelkeit, Erbrechen) nach Genuss von Ethanol verantwortlich ist. Dieser genetische Defekt, Flush-Syndrom:Ethanolbei Europäern selten, findet sich in der asiatischen Bevölkerung in bis zu 50% und führt zu einer Anhäufung von Acetaldehyd im Körper und damit zum Ethanol:Flush-Syndrommit übertriebenem Alkoholkonsum verbundenden Flush-Syndrom.
Die Xanthinoxidase oxidiert Arzneistoffe mit Xanthinstruktur, wie z.B. Coffein, Theophyllin, Theobromin und Purin-Analoga einschließlich endogener Purine, zu ihren korrespondierenden Harnsäurederivaten (Hypoxanthin XanthinoxidaseAbb. 25.1; 6-Mercaptopurin Kap. 35.9.2).
Bei den Aminoxidasen handelt es sich um eine heterogene Enzymgruppe. Man unterscheidet zwischen Monoaminoxidasen, Diaminoxidasen und flavinhaltigen Monooxygenasen. AminoxidasenMonoaminoxidasen verstoffwechseln neben endogenen Catecholaminen und endogenem Serotonin auch exogen mit der Nahrung zugeführte Amine, z.B. das in Käse enthaltene MonoaminoxidaseTyramin. Sie finden sich mitochondrial vor allem in monoaminergen Nervenendigungen und in der Leber. Im Gegensatz dazu erfolgt die Metabolisierung des strukturverwandten Amphetamins und seiner Derivate Tyramin:Monoaminoxidasenüber das Cytochrom-P450-Enzym-System.
Die Diaminoxidase metabolisiert nahezu ausschließlich endogene Substrate, wie z.B. Histamin (Kap. 6.1.2).
Auch die flavinhaltigen Monooxygenasen (FMO)Diaminoxidase oxidieren hauptsächlich Amine, und zwar am Stickstoff. Deshalb sind sie hier eingereiht. Durch die FMO werden jedoch auch die Flavin-Monooxygenase (FMO)S-Oxide von Thiolen, Thioamiden und Disulfiden gebildet.
Die FMO-FMO (Flavin-Monooxygenase)Enzyme sind mikrosomal lokalisierte polymerische Proteine, die Flavin-Adenin-Dinukleotid enthalten und deshalb auch als Flavoproteine bezeichnet werden. Der höchste Gehalt findet sich in der Leber. Die durch FMO katalysierten Reaktionen benötigen NADH oder NADPH. Aufgrund der breiten Substratspezifität wird der Abbau zahlreicher Xenobiotika und Arzneistoffe, wie Phenothiazine, Ephedrin und Methamphetamin, katalysiert. Aus Imipramin entsteht z.B. das Aminoxid (Abb. 1.36).
Bisher wurden fünf Isoformen als unterschiedliche Genprodukte identifiziert. Für die FMO 3 wurde beim Menschen ein seltener genetischer Defekt beschrieben (Tab. 1.14), der Ursache für das sogenannte Fish-Odor-Syndrom ist. Bei Trägern des Defekts kann das im endogenen Stoffwechsel entstehende oder mit der Nahrung zugeführte, nach Fisch riechende Fish-Odor-SyndromTrimethylamin nicht in das geruchlose N-Oxid umgewandelt werden. Bisher liegen nur wenige Daten zur Bedeutung der FMO 3 bei der Metabolisierung von Arzneistoffen vor.
Reduktasen
Trimethylamin:Fish-Odor-SyndromDurch die Cytochrom-P450-Enzyme, die oben als Oxidationsenzyme beschrieben sind, werden auch zahlreiche Reduktionsreaktionen Reduktasenkatalysiert. Durch Sauerstoff werden diese Reduktionsreaktionen gehemmt, sie laufen Cytochrom-P450-Enzyme:Reduktionsreaktionendaher in der Leber vor allem unter hypoxischen Bedingungen ab. Hypoxiegefährdete Bereiche in der Leber befinden sich vor allem zentrolobulär, wo der niedrigste Sauerstoffpartialdruck herrscht.
Tabelle 1.11 listet Beispiele für Reduktionsreaktionen im Phase-I-Metabolismus auf.
Polyhalogenierte Kohlenwasserstoffe werden in erster Linie durch die Reduktionsreaktionen:Phase-I-MetabolismusCytochrom-P450-2B-Subfamilie reduziert. Bei den Reaktionen entstehen Radikale, die mit Kohlenwasserstoffe:polyhalogenierteProteinen, Lipiden und der DNA reagieren und dadurch die Zelle schädigen können. Die reduktive Dehalogenierung von Halothan (Abb. 1.37) wird als eine Ursache für die „Halothan-Hepatitis“ (Kap. 9.1.3) angesehen.
Im Darmlumen Halothan-Hepatitiswerden Reduktionsreaktionen von bakteriellen Enzymen katalysiert (Nitrobenzol, Azo-Nitro-Verbindungen:ReduktionsreaktionenVerbindungen, z.B. Sulfasalazin und seine Abkömmlinge).
Esterasen und Epoxidhydrolasen
Azo-Verbindungen:ReduktionsreaktionenEster, Amide und Epoxide werden im Organismus enzymatisch hydrolysiert. Die bei der Hydrolyse von Estern und Amiden beteiligten Enzyme besitzen häufig sowohl Ester:HydrolyseEsterase- als auch Amidaseaktivität. Sie sind Amide:Hydrolysehauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum der Leber lokalisiert. Die EsterasenAcetylcholinesterase, das Epoxidhydrolase (EH)klassische synaptische Enzym, weist dagegen eine hohe Substratspezifität auf. Die Pseudocholinesterase (= AcetylcholinesteraseButyrylcholinesterase; Kap. 2.3.1) kommt außer in der Leber auch im Blutplasma vor. Für dieses Enzym wurde Butyrylcholinesterase s. Pseudocholinesterasebeim Menschen ein seltener genetischer Defekt beschrieben, der für eine lang andauernde Atemlähmung nach PseudocholinesteraseGabe der Muskelrelaxantien Suxamethonium und Mivacurium (Tab. 1.14 und Kap. 3.4.4) verantwortlich sein kann. Weitere Substrate für die Suxamethonium:PseudocholinesterasePseudocholinesterase im Plasma sind Mivacurium:PseudocholinesteraseProcain (Abb. 1.38) und Acetylsalicylsäure.
Epoxide Procain:Pseudocholinesterasesind reaktive elektrophile Verbindungen, die durch Acetylsalicylsäure:PseudocholinesteraseEpoxidhydrolasen (manchmal auch als EpoxideEpoxidhydratasen bezeichnet) bevorzugt zu trans-Diol-Isomeren hydrolysiert werden. Diese Art der Epoxidhydrolase (EH)Reaktion ist eine besondere Form der Hydrolyse, im engeren Sinne eine Hydratisierung, da es nach einem Epoxidhydratase s. EpoxidhydrolaseEinbau von Wasser zu keiner Spaltung des Moleküls kommt. Die Leber weist den höchsten Gehalt an Epoxidhydrolasen auf. Sie sind vorzugsweise mikrosomal lokalisiert. Daneben existiert eine zytosolische Epoxidhydrolase. Die mikrosomale Epoxidhydrolase kommt in Form eines Multienzymkomplexes mit Cytochrom-P450-Enzymen vor und ermöglicht so eine schnelle Inaktivierung der durch Cytochrom-P450-Enyzme gebildeten (Tab. 1.10) Epoxidhydrolase (EH):mikrosomalereaktiven und damit zellschädigenden Epoxide. Substrate sind neben endogenen Verbindungen die Epoxide von Arzneistoffen (Abb. 1.39) und anderen Xenobiotika wie dem Präkarzinogen (7R,8S)-Benz(a)pyren-7,8-oxid.
Enzyme und Reaktionen des Phase-II-Metabolismus
Glucuronosyltransferasen
Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferasen (UGT)Phase-II-MetabolismusGlucuronosyltransferasen sind eine Superfamilie von Enzymen, die die kovalente Bindung von Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferase (UGT)Glucuronsäure an funktionelle Gruppen UGT (Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferase)lipophiler Verbindungen katalysieren. Diese Enzyme übertragen aktivierte Glucuronsäure auf Hydroxy-, Carboxy-, Amino- und SH-Gruppen. Substrate sind Bilirubin, Glucuronsäure:BindungSteroidhormone, Gallensäuren, biogene Amine, fettlösliche Vitamine, Umweltgifte und Arzneistoffe (Abb. 1.40).
UGT-Enzyme spielen eine zentrale Rolle bei der Entgiftung und Elimination dieser Substanzen, da die Reaktionsprodukte in der Regel biologisch inaktiv sind und aufgrund ihrer Polarität sehr viel schneller als die Ausgangssubstanzen aus dem Organismus ausgeschieden werden können. Die UGT-Enzyme werden in einer Vielzahl von Organen – Leber, Darm, Nieren, Lunge, Prostata, Haut und Gehirn – exprimiert, wobei die Leber den höchsten Gehalt aufweist. Sie sind im endoplasmatischen Retikulum lokalisiert.
Die Anwesenheit homologer Sequenzen in den UGT-Genen von Pflanzen, Bakterien und Tieren deutet darauf hin, dass die verschiedenen Formen aus einem gemeinsamen Vorläufergen entstanden sind. Bisher sind 17 menschliche UGT-Isoformen identifiziert worden. Die Einteilung in Genfamilien erfolgt anhand der Sequenzhomologie, wobei UGT-Enzyme mit einer Sequenzhomologie von mehr als 50% zu einer Genfamilie gerechnet werden. Analog der Nomenklatur für Cytochrom-P450-Enzyme steht die erste Zahl für die Genfamilie, der Buchstabe für die Subfamilie und die Zahl nach dem Buchstaben für das individuelle Gen bzw. Enzym innerhalb einer Subfamilie, z.B. UGT 1A1. Die 17 menschlichen UGT-Isoformen gehören zu den Genfamilien 1 und 2.
In der Genfamilie 1 ist bisher nur eine Subfamilie A mit 10 Isoformen (UGT 1A1–10) identifiziert und hinsichtlich der Substratspezifität charakterisiert worden. Die Isoformen werden durch differentielles Splicing aus einem Gen gebildet, das auf dem Chromosom 2 lokalisiert ist und aus 16 UGT 1A1–10Exons besteht. Substrate für die UGT-1A-Isoformen sind Bilirubin, planare Phenole, halogenierte Alkylphenole, Steroide, zahlreiche Arzneistoffe und deren Metaboliten. Mutationen der UGT 1A1 (Tab. 1.14) sind Ursache für das Crigler-Najjar-Syndrom Typ I und II sowie das Meulengracht-Gilbert-UGT 1A1:MutationSyndrom. Beim Crigler-Najjar-Syndrom Typ I tragen beide Gene des Chromosomensatzes Crigler-Najjar-Syndrom Typ I und IIinaktivierende Mutationen, die zum völligen Funktionsverlust des Enzyms führen. Daraus resultiert eine schwere Meulengracht-Gilbert-SyndromHyperbilirubinämie, die bei Säuglingen zur Bilirubinencephalopathie mit schweren neurologischen Störungen und zum Tod der betroffenen Kinder führt. Beim Crigler-Najjar-Syndrom Typ II wird ein Enzym mit verminderter katalytischer Aktivität synthetisiert, das in geringem Umfang Bilirubin glucuronidieren kann. Für das Meulengracht-Gilbert-Syndrom, das mit einer Häufigkeit von 2–5% in der Bevölkerung vorkommt, sind mehrere Mutationen der UGT 1A1 beschrieben worden, die alle zu einer leichteren Form der unkonjugierten Hyperbilirubinämie ohne Krankheitswert führen.
Innerhalb der UGT-2-Familie existieren beim Menschen die Subfamilien 2A und 2B. UGT 2A ist in der Nasenschleimhaut an der Inaktivierung bestimmter Duftstoffe beteiligt. Endogene Substrate für die UGT-2B-Isoformen sind Steroide und deren Metaboliten sowie Gallensäuren. UGT UGT 2A2B7 ist das wesentliche Enzym für die Bildung von Morphin-6- und Morphin-3-glucuronid. Morphin-6-glucuronid stellt eine Ausnahme von der Regel dar, dass UGT 2B7Glucuronide pharmakologisch unwirksam sind: Morphin-6-glucuronid ist als μ-Agonist stärker wirksam als die Ausgangssubstanz Morphin (Kap. 7.3.4).Morphin-6-glucuronid
Glutathion-S-Transferasen
Die Glutathion-S-Transferasen (GST) sind eine Familie vornehmlich zytosolischer Enzyme, die in allen Geweben vorhanden sind. Ihre höchste GST (Glutathion-S-Transferasen)Konzentration findet sich in den Hepatozyten. Sie katalysieren die Konjugation einer Glutathion-S-Transferasen (GST)Vielzahl von elektrophilen Verbindungen unterschiedlicher Struktur mit dem endogenen Tripeptid Glutathion (Tab. 1.12).
Viele Glutathionkonjugate unterliegen einer enzymatisch katalysierten Modifikation ihres Peptidanteils. In einem ersten Schritt wird dabei der Glutamatteil durch eine Glutathionase (γ-GlutathionGlutamyltranspeptidase), in einem zweiten Glycin durch eine Aminopeptidase entfernt. Die beiden Enzyme sind sowohl in der Leber als auch im Gastrointestinaltrakt und in der Niere zu finden. In einem letzten Schritt <03B3>-Glutamyltranspeptidasewird die Aminogruppe des Cysteins durch eine hepatische N-Acetylase acetyliert, was zur Bildung der entsprechenden Mercaptursäure führt (Abb. 1.41).
Die Glutathionkonjugation ist als ein physiologischer Schutz gegenüber potentiell toxischen, elektrophilen Metaboliten anzusehen.
Glutathion-S-Transferasen wirken Mercaptursäurenicht nur als Enzyme. Sie binden auch eine Anzahl endogener und exogener Substrate (Bilirubin, Tetracyclin, Penicillin, Etacrynsäure), ohne eine entsprechende Konjugationsreaktion zu katalysieren (s.o.).
Bei den löslichen GST-Enzymen des Menschen sind bisher 7 Familien beschrieben worden. Die Zuordnung erfolgt wieder auf Basis der Sequenzhomologie. Innerhalb einer GST-Familie besitzen die unterschiedlichen Enzyme mindestens eine 40-prozentige Aminosäurenidentität. Beim Menschen sind die Familien α, μ, κ, π, ϑ, ζ und Ω nachgewiesen worden.5

5

Bei der Nomenklatur der GST-Enzyme werden zur Bezeichnung der Familien griechische Buchstaben verwendet. Spricht man vom jeweiligen Genotyp, ist es üblich, lateinische Buchstaben anzugeben.

π ist die häufigste Form.
Für mehrere GST-Enzyme existieren genetische Polymorphismen (Tab. 1.14). Im Fall von GST M1 besitzen 30–60% der europäischen Bevölkerung kein funktionsfähiges Enzym. Träger der Defektvarianten haben ein erhöhtes Lungen- und Blasenkarzinomrisiko. Dies zeigt, dass die GST-Enzyme eine zentrale Rolle bei der Entgiftung reaktiver kanzerogener Substanzen spielen. Für die Behandlung von Karzinomen mit alkylierenden Chemotherapeutika wie Melphalan, Cyclophosphamid, Busulfan und Chlorambucil ist von Bedeutung, dass Resistenzen bestimmter Tumorzellen gegenüber diesen Zytostatika mit einer Zunahme bestimmter GST-Enzyme assoziiert sind.
N-Acetyltransferasen
Acetylierungsreaktionen sind für viele aromatische Amine N-Acetyltransferase I (NAT I)und N-Acetyltransferase II (NAT II)Sulfonamide ein wichtiger Metabolisierungsschritt. Katalysiert werden die Reaktionen durch AzetylierungsreaktionenAcetyltransferasen, die als Cofaktor Acetyl-Coenzym A Sulfonamide:Azetylierungbenötigen. Die N-Acetyltransferasen sind zytosolische Enzyme, die in höchster Konzentration in der Leber vorkommen. Für das Tuberkulostatikum Isoniazid stellt die N-Acetylierung den Acetyl-Coenzym AHauptmetabolisierungsweg dar (Abb. 1.42).
Das Produkt dieser Reaktion, das N-Acetylisoniazid, wirkt nicht mehr tuberkulostatisch. Beim Menschen sind zwei Formen bekannt, die N-Acetyltransferasen I und II (NAT I und NAT II). Isoniazid ist ein N-AcetylisoniazidSubstrat der NAT II. Die NAT II war das erste Beispiel für ein arzneistoffabbauendes Enzym, für das genetisch bedingte Unterschiede beschrieben wurden (Tab. 1.14). Typische Substrate für die IsoniazidNAT I sind para-Aminobenzoesäure und para-Aminosalicylsäure. Auch für die NAT I gibt es eine Vielzahl von genetischen Varianten, die mit einer veränderten Aktivität des Enzyms einhergehen.
Sulfotransferasen
Sulfotransferasen (SULT) katalysieren die Konjugation des Sulfat-Restes von 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat mit Phenolen, Alkoholen und Aminen. SULT (Sulfotransferasen)Zahlreiche endogene und exogene Substrate, wie Steroidphenole (Sulfotransferasen (SULT)Schilddrüsen- und Sexualhormone), Gallensäuren, Monoaminneurotransmitter und Benzylalkohole, wurden identifiziert (Abb. 1.43).
Da der Sulfatpool im Menschen beschränkt ist und Sulfat aus schwefelhaltigen Aminosäuren gewonnen werden muss, kann bei hohem Fremdstoffumsatz die Sulfatierung von endogenen Substraten, z.B. Steroidhormonen, gehemmt werden. Die Sulfatzytosolischen Enzyme kommen in vielen Geweben vor, vor allem in der Leber, den Nieren und dem Gastrointestinaltrakt.
In der SULT-Gen-Familie wurden beim Menschen bis jetzt mindestens 13 Enzyme mit unterschiedlicher chromosomaler Lokalisation identifiziert. Für die Isoform SULT1A1 wurden häufige genetische Varianten beschrieben, deren Bedeutung für die Arzneimitteltherapie bisher noch unklar ist.
Methyltransferasen
Methyltransferasen katalysieren N-, O- oder S-Methylierungsreaktionen. Dabei wird eine aktivierte Methyl-Gruppe in Form von S-Adenosylmethionin verwendet.
Beim Menschen werden fünf Methyltransferasen unterschieden, die Methyltransferasenzytosolisch oder membranständig lokalisiert sind und hauptsächlich in der Leber exprimiert werden. Aliphatische und aromatische Amine, stickstoffhaltige Heterocyclen, Phenole und Catechole sowie Mercaptane sind die Substrate. Nach ihren Substraten nennt man die Enzyme z.B. Catechol-O-Methyltransferase (COMT; Kap. 2.3.2), Histamin-N-Methyltransferase (Kap. 6.1.2) oder Thiopurin-S-Methyltransferase (TPMT)Catechol-O-Methyltransferase (COMT). Für alle fünf Methyltransferasen gibt es seltene Histamin-N-Methyltransferasegenetische Defekte. Klinisch relevant ist dies vor allem für die Therapie mit Thiopurin-S-Methyltransferase (TPMT)Thiopurinen (Azathioprin, 6-Mercaptopurin, Thioguanin), den ThiopurineSubstraten der TPMT. Bei 1 von 200 Personen fehlt die TPMT-AzathioprinAktivität (Tab. 1.14), bei ca. 10% der europäischen Bevölkerung ist 6-Mercaptopurinsie herabgesetzt. Bei den Betroffenen entwickeln sich unter ThioguaninStandarddosierung mit Thiopurinen schwere, z.T. lebensbedrohliche Panzytopenien.
Konjugation mit Aminosäuren
Die Konjugation mit Aminosäuren ist eine besondere Form der N-Acylierung, wobei der Arzneistoff selbst und nicht der endogene Cofaktor aktiviert wird. Aminosäuren:KonjugationKörperfremde Karbonsäuren werden durch die Bindung an Coenzym A Konjugation:mit Aminosäurenaktiviert und auf endogene Aminosäuren übertragen. Die Aminosäuren-N-Acyltransferasen kommen mitochondrial vor allem in Leber und Niere vor. Bevorzugte Kopplungspartner sind bei Säugern die Aminosäuren Glycin und Glutamin. Die Aminosäuren:N-AcyltransferasenGlycinkonjugation der Benzoesäure zur renal ausgeschiedenen Hippursäure (Abb. 1.44)Glycinkonjugation gilt als die erstentdeckte Reaktion im Fremdstoffmetabolismus. Sie Benzoesäure:Glycinkonjugationwurde von Alexander Ure und – in einem Selbstversuch – von Wilhelm Keller, einem Schüler von Friedrich HippursäureWöhler, 1841 und 1842 nachgewiesen.
Extrahepatischer Metabolismus
Die Bioverfügbarkeit vieler Arzneistoffe ist trotz vollständiger Resorption niedrig, da sie während der Passage durch Darmwand und Leber ausgiebig metabolisiert werden (First-Metabolismus/Metabolisierung:extrahepatischerPass-Metabolismus oder präsystemische Elimination; Tab. 1.7). Lange ist man davon ausgegangen, dass bei Arzneistoffen mit ausgeprägter First-Pass-Effektpräsystemischer Elimination die Leber die entscheidende Rolle spielt. Dem Metabolismus durch die Elimination:präsystemischeDarmwand wurde nur geringe Bedeutung beigemessen, da ihr Gehalt an arzneistoffabbauenden Enzymen, insbesondere Cytochrom-P450-Enzymen, im Vergleich zur Leber sehr niedrig ist und auch nicht alle Cytochrom-P450-Enzyme, die in der Leber exprimiert sind, in der Darmwand vorkommen. Die Leber enthält, wie oben erwähnt, ca. 90–95% des Gesamtkörpergehalts an Cytochrom P450, der Darm lediglich 1–2%. Inzwischen hat man jedoch erkannt, dass im Falle der Immunsuppressiva Ciclosporin und Tacrolimus sowie des HIV-Proteasehemmers SaquinavirCiclosporin:Metabolisierung die präsystemische Elimination durch die Darmwand mehr Tacrolimus:Metabolisierungzum First-Pass-Metabolismus beiträgt als die Leber. Auch bei nahezu allen CalciumkanalblockerSaquinavir:Metabolisierungn und einigen HMG-CoA-Reduktasehemmern ist die niedrige orale Kalziumkanalblocker:MetabolisierungBioverfügbarkeit auf eine erhebliche präsystemische Elimination in der Darmwand zurückzuführen. CYP 3A4HMG-CoA-Reduktasehemmer:Metabolisierung ist das relevante Enzym, da 70% vom gesamten Cytochrom P450 im Darm auf diese Isoform entfallen. Daneben sind in vielen anderen Geweben Cytochrom-P450-Enzyme nachweisbar. Verglichen mit Leber und CYP 3A4Darm, ist die Expression jedoch so niedrig, dass in der Regel der Beitrag dieser Organe zum Gesamtmetabolismus gering sein dürfte.
Enzymhemmung
Da die meisten Arzneistoffe durch Biotransformation aus dem Organismus eliminiert werden, sind pharmakokinetische Interaktionen aufgrund von EnzymhemmungHemmung oder Induktion des Arzneimittelmetabolismus häufig.
Es gibt drei Typen der Hemmung des Fremdstoffmetabolismus durch andere Pharmaka. Bei der kompetitiven Metabolismus/Metabolisierung:HemmungHemmung konkurrieren zwei Substrate um ein Enzym, und das eine Substrat kann das andere vom Enzym verdrängen. Bei nichtkompetitiver Hemmung Hemmung:kompetitivebindet der Inhibitor an das Enzym, ist aber nicht selbst Substrat. Eine besondere Form stellt die Enzymhemmung durch sogenannte Hemmung:nichtkompetitiveSuizidinhibitoren dar. Dabei wird der Inhibitor durch das Enzym in einen reaktiven Metaboliten überführt, der irreversibel an das Enzym bindet und zu dessen Funktionsverlust führt.
Die Affinität von zwei Suizidinhibitorenkonkurrierenden Substraten zu einem Enzym kann über einen Vergleich der enzymspezifischen Inhibitorkonstante Ki abgeschätzt werden. Der Ki-Wert ist ein Maß für die Potenz eines Substrats, als kompetitiver Hemmer eines Enzyms zu agieren und es in seiner Funktion für andere Substrate zu hemmen. Hohe Ki-Werte Inhibitorkonstante Kibedeuten, dass hohe Konzentrationen zur Enzyminhibition notwendig sind, umgekehrt weist ein niedriger Ki-Wert auf eine große inhibitorische Potenz hin. Wichtig ist zudem, ob ein oder mehrere Enzyme am Metabolismus eines Arzneistoffs beteiligt sind. Wird ein Arzneistoff über mehrere Enzyme verstoffwechselt, jedoch lediglich ein Enzym durch den Hemmstoff blockiert, so sind die Konsequenzen wesentlich geringer als im Falle einer Substanz, die nahezu ausschließlich über ein Enzym biotransformiert wird. Das Interaktionspotential und die möglichen Konsequenzen hängen außerdem davon ab, ob der Inhibitor lediglich Substrat für ein oder für mehrere Cytochrom-P450-Enzyme ist. Verapamil ist Substrat für CYP 1A2, CYP 2C8, CYP 2C9, CYP 2C18 und CYP 2C19 sowie für CYP 3A4 (Abb. 1.33). Interaktionen mit anderen Arzneistoffen, die ebenfalls Substrate für diese Isoenzyme sind (Theophyllin, Warfarin und Carbamazepin), wurden beobachtet.
Die Mehrzahl klinisch bedeutsamer Interaktionen im Arzneistoffmetabolismus sind für Substrate des CYP 3A4 beschrieben worden (Tab. 1.13).
Am Beispiel des HMG-CoA-Reduktasehemmers Simvastatin sollen die Konsequenzen einer Hemmung von CYP 3A4 dargestellt werden (HMG-CoA-ReduktasehemmerAbb. 1.45).
Von einer klinisch üblichen Dosis von 10 mg SimvastatinSimvastatin werden nach oraler Applikation 80%, d.h. 8 mg, aus dem Darmlumen in die Enterozyten aufgenommen.CYP 3A4:Hemmung Insgesamt gelangen aber nur 0,5 mg in die systemische Zirkulation; der Rest wird bereits präsystemisch in der Darmwand und vor allem der Leber über CYP 3A4 metabolisiert (mit anderen Worten: Die orale Bioverfügbarkeit von Simvastatin beträgt 0,5 mg von 10 mg, also 5%). Verabreicht man nun zusätzlich einen Arzneistoff, der CYP 3A4 in Leber und Darm nahezu komplett hemmt (ca. 95% Hemmung), wird fast die gesamte in die Darmmucosa aufgenommene Menge systemisch verfügbar (7,5 mg). Dies bedeutet eine Steigerung der Bioverfügbarkeit um den Faktor 7,5 : 0,5 = 15 (Abb. 1.45).
Das Ausmaß der Nebenwirkungen der Statine, besonders der Myotoxizität, hängt von ihrer Konzentration im systemischen Blut ab. Wird CYP 3A4 gehemmt, muss mit mehr Nebenwirkungen gerechnet werden, und zwar besonders bei jenen Statinen (wie Statine:NebenwirkungenSimvastatin), deren orale Bioverfügbarkeit trotz nahezu vollständiger Aufnahme aus dem Darmlumen in die Enterozyten wegen ausgedehnter präsystemischer Elimination in Darmwand und Leber niedrig ist.
Enzyminduktion
Auch im Falle der Enzyminduktion sind die meisten klinisch relevanten Interaktionen für CYP-3A4-Substrate beschrieben worden (Tab. 1.13). Unter Enzyminduktion versteht man eine Zunahme der Enzymmenge. Die Zunahme ist entweder auf Enzyminduktioneine vermehrte Gentranskription oder auf einen verminderten Enzymabbau zurückzuführen. Man hat mehrere Mechanismen aufgeklärt. Ein Beispiel: Bei der toxikologisch wichtigen Induktion des Cytochrom-P450-1A1-Isoenzyms durch polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzpyren und Dioxin reagiert der Induktor primär mit einem zytosolischen Rezeptor, dem sogenannten Arylhydrocarbon(Ah)-BenzpyrenRezeptor. Der Induktor-Rezeptor-Komplex Dioxinsteigert dann im Zellkern die Transkription des CYP-1A1-Gens (Abb. 36.40).
Unter den Arzneistoffen ist das Antibiotikum Arylhydrocarbon(Ah)-RezeptorRifampicin der stärkste Induktor. Es induziert sowohl Phase-I-Enzyme (CYP 3A4, CYP 2C8, CYP 2C9 und CYP 2C19) als auch Phase-II-Enzyme (UGT). Die durch Rifampicin hervorgerufene Induktion von CYP 3A4 Rifampicin:Enzyminduktionist besonders stark in der Darmwand ausgeprägt. Darum wird die Bioverfügbarkeit von z.B. Ciclosporin und Verapamil, zwei Substraten von CYP 3A4, durch Rifampicin dramatisch herabgesetzt.

Elimination von Pharmaka durch Exkretion

Die renale und biliäre Ausscheidung von Arzneistoffen bzw. Metaboliten wird wesentlich von ihren physikochemischen Eigenschaften Elimination von Pharmaka:durch Exkretionwie dem ExkretionMolekulargewicht bestimmt. Generell werden Substanzen mit einem Molekulargewicht von < 400 bis 500 vornehmlich renal, solche mit einem Molekulargewicht > 400–500 vornehmlich biliär ausgeschieden.
Molekulargewicht:ExkretionEine große Rolle bei der Exkretion spielen organische Anionen- (OAT, organic anion transporter)OCT (organic cation transporter)OAT (organic anion transporter) und Kationentransporter (OCT, organic cation transporter). Sie gehören zur Familie der SLC(solute organic anion transporter (OAT)carrier)-organic cation transporter (OCT)Transporter und funktionieren entweder als Antiporter, Co-Transporter oder äquilibrierende Transporter. Die notwendige Energie für den Transport wird aus einem Gradienten des zu transportierenden SLC-(solute carrier) TransporterArzneistoffs oder eines cotransportierten Ions (z.B. Na+) gewonnen.
Neben den Anionen- und Kationentransportern sind in Leber, Niere und Darm sogenannte ABC-Transporter (ATP-binding cassette; Kap. 1.4.1) wichtig. Ihre variable Expression führt zu einem unterschiedlichen ABC-Transporter (ATP-binding cassette transporter)Ansprechen auf Pharmakotherapie sowie dem Auftreten von Nebenwirkungen.
Ein typisches ABC-ATP-binding cassette (ABC-)TransporterMembrantransport-Protein besteht aus vier Untereinheiten mit zwei in der Membran liegenden Domänen, die je sechs transmembranäre Segmente und zwei ATP-Bindungsstellen besitzen. Die notwendige Energie wird durch die Hydrolyse des ATP bereitgestellt. Bisher sind wenigstens 48 humane ABC-Transporter bekannt. Für die Elimination von Arzneistoffen wichtige ABC-Transporter sind MDR1 (ABCB1), MRP2, 4 und 5 (ABCC2, 4 und 5) und BCRP (ABCG2).
Die Bezeichnung MDR (multi drug resistance; auch P-Glykoprotein genannt) leitet sich davon ab, dass dieser MDR (multi drug resistance)Transporter in Tumorzellen mit Zytostatikaresistenz entdeckt multi drug resistance (MDR)wurde. Seine Überexpression in der Tumorzelle ist Ursache für die Resistenz, da sie zu einem P-Glykoprotein (Pgp)verstärkten Transport der Zytostatika aus der Zelle (Efflux) führt. MDR1 kommt aber auch physiologisch in einer Reihe von Geweben vor (Darm, Gehirn, Leber, Niere, Plazenta). Als physiologische Bedeutung wird neben einem Schutz vor exogenen toxischen Substanzen ein Transport von endogenen MDR1Substraten (z.B. Cortisol) diskutiert. Typische Substrate sind lipophile und basische Arzneistoffe mit planarem Ringsystem und einem Molekulargewicht > 400. Aber auch neutrale Arzneistoffe wie Digoxin sind Substrate von MDR1. Zahlreiche Arzneistoffe wie Chinidin, Verapamil, Cyclosporine sowie Inhaltstoffe des Grapefruitsaftes hemmen MDR1.
Analog zu MDR1 wurden MRP-Transporter (multidrug resistance-associated protein) zunächst als Ursache für die Resistenz gegen Zytostatika in Tumorzellen identifiziert. Später fand man, dass MRPs auch physiologisch in Darm, Leber, Niere und weiteren Organen vorkommen. Inzwischen kennt MRP-Transporterman 12 menschliche Isoformen. Von Bedeutung für den Transport von Arzneistoffen sind besonders MRP2 (ABCC2), MRP4 (ABCC4) und MRP5 (ABCC5). In Enterozyten, Tubuluszellen und Hepatozyten werden MRPs in der apikalen Membran, in Hepatozyten zusätzlich in der kanalikulären Membran exprimiert. Natürliche Substrate sind Leukotrien C4 und reduziertes Glutathion.
Renale Exkretion
Die Niere ist das wichtigste Organ für die Ausscheidung von polaren, wasserlöslichen Fremdstoffen mit einem Molekulargewicht von < 400–500. Für lipophile Nieren:ExkretionArzneistoffe stellt die renale Exkretion dagegen einen Exkretion:renalesehr ineffizienten Eliminationsweg dar, da sie aufgrund ihrer Lipophilie durch tubuläre Reabsorption nahezu komplett wieder in den Organismus aufgenommen werden.
Die renale Elimination eines Arzneistoffs wird durch glomeruläre Filtration, tubuläre Sekretion und tubuläre Reabsorption bestimmt. Über die Ermittlung der renalen Clearance eines Arzneistoffs
(Ae: kumulativ im Urin ausgeschiedene unveränderte Nieren:ClearanceArzneistoffmenge, AUC: Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve)
kann bei Kenntnis seiner ClearanrenalePlasmaproteinbindung (fu = unbound fraction = nicht proteingebundene Fraktion im Plasma) abgeschätzt werden, ob er nur glomerulär filtriert, zusätzlich tubulär sezerniert oder tubulär rückresorbiert wird. Ist die renale Clearance eines Arzneistoffs gleich dem Produkt aus GFR × fu (GFR = glomeruläre Filtrationsrate), so wird er ausschließlich glomerulär filtriert. Eine aktive tubuläre Sekretion liegt dann vor, wenn die renale GFR (glomeruläre Filtrationsrate)Clearance größer als das Produkt GFR × fu ist. Kommt es zu einer glomeruläre Filtrationsrate (GFR)tubulären Rückresorption, so ist die renale Clearance kleiner als das Produkt GFR × fu.
Abbildung 1.46 gibt einen Überblick.
Glomeruläre Filtration
Das Ausmaß der glomerulären Filtration eines Arzneistoffs hängt entscheidend von seiner Bindung an Plasmaproteine ab. Da die für die Bindung von Arzneistoffen relevanten Plasmaproteine (Albumin, α-glomeruläre FiltrationGlykoprotein) die glomeruläre Membran nicht passieren, kann der an Protein gebundene Arzneistoffanteil nicht filtriert werden. Nur die freie Fraktion (fu) wird glomerulär filtriert. Die Arzneistoffkonzentration im Glomerulusfiltrat entspricht deshalb der freien Arzneistoffkonzentration im Plasma. Darüber hinaus bestimmen die funktionelle Integrität der Glomeruli, die Molekülgröße des Arzneistoffs, das Schlagvolumen und der renale Plasmafluss die glomeruläre Filtration.
Tubuläre Sekretion
Die renal-tubuläre Sekretion beinhaltet den Transport aus dem Nieren:tubuläre Sekretionperitubulären Raum in die Tubuluszelle und aus der Zelle in das tubuläre SekretionTubuluslumen. Im proximalen und distalen Tubulus der Nieren gibt es Transportsysteme für Sekretion:renal-tubuläreorganische Kationen und Anionen, wobei der Transport auch von mehreren Transportersystemen gleichzeitig übernommen werden kann.
Die Sekretion basischer und saurer Arzneimoleküle erfolgt in drei Schritten:
  • 1.

    Aufnahme des Arzneistoffs aus dem Blut durch Transporter in der basolateralen Membran (sog. Aufnahmetransporter)

  • 2.

    Diffusion des Arzneistoffs durch das Zytosol

  • 3.

    Transport des Arzneistoffs durch Transporter in der Bürstensaummembran der Tubuluszellen in das Lumen (sog. Effluxtransporter).

Die basolaterale Aufnahme von organischen Säuren in die Tubuluszelle erfolgt durch mindestens zwei Systeme, einen Na+-abhängigen und einen Na+-unabhängigen Anionentransporter. Der Na+-abhängige Transport ist gekoppelt an den Cotransport von α-Ketoglutarat und Na+ und den anschließenden Austausch von α-Ketoglutarat gegen organische Anionen durch den organic anion transporter OAT1. Die basolaterale Aufnahme von organischen Kationen mit primärer, sekundärer, tertiärer oder quaternärer Aminstruktur wird organic anion transporter (OAT)membranpotentialabhängig durch OCTs (organic cation transporter) vermittelt. OCT2 ist für die Aufnahme zahlreicher Arzneistoffe wie Cimetidin, Famotidin, Metformin, Ranitidin, organic cation transporter (OCT)aber auch platinhaltiger Chemotherapeutika wie Cisplatin verantwortlich.
Auf der luminalen Seite erfolgt der Efflux organischer Säuren ebenfalls über organische Anionentransporter wie den Transporter OAT4. Der Efflux organischer Kationen geschieht mittels zweier organischer Kationen-Antiporter, OCTN1/2 (organic cation transporter novel). Physiologisch vermittelt OCTN2 die Reabsorption von L-Carnitin und gewährleistet so die OCTN1/2 (organic cation transporter novel)Homöostase des Carnitinpools in der Niere.
organic cation transporter novel (OCTN1/2)Der in der luminalen Membran des proximalen Tubulus lokalisierte ABC-Transporter MDR1 ist an der ABC-(ATP-binding cassette)TransporterSekretion lipophiler basischer und auch neutraler Substanzen (z.B. Anthracycline, ATP-binding cassette (ABC-)TransporterVincaalkaloide, Taxane, Chinidin und Digoxin) beteiligt (Abb. 1.46). Weitere ABC-Transporter wie MRP2 und -4 transportieren Glucuronide (Abb. 1.46).
Bei gleichzeitiger Gabe mehrerer Arzneistoffe, die Substrate für diese Transporter sind, kann es durch Kompetition zu Interaktionen kommen. Cimetidin und Cisplation sind, wie erwähnt, beide Substrate von OCT2. Durch Hemmung der Aufnahme von Cisplatin in die Tubuluszellen vermindert Cimetidin:InteraktionenCimetidin dessen Nephrotoxizität. Über denselben Mechanismus schützend wirkt Cisplatin:Interaktionender Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib.
Tubuläre Reabsorption
Imatinib:InteraktionenDurch die Konzentrierung des Primärharns im proximalen Tubulus Reabsorption:renal-tubuläreentsteht ein Konzentrationsgefälle in Richtung Interzellularraum Nieren:tubuläre Reabsorptionund Gefäßlumen, und lipophile Stoffe werden passiv – und unter tubuläre ReabsorptionUmständen komplett – reabsorbiert. Bei Säuren und Basen hängt die Reabsorption von ihrem pKa-Wert und dem pH des Urins ab. Durch Änderung des Urin-pH kann man somit die renale Ausscheidung von sauren und basischen Arzneistoffen beeinflussen. Dies hat man sich bei der Behandlung von Vergiftungen zunutze gemacht. Im Falle von organischen Säuren steigert Alkalisierung des Harns durch Zufuhr von Natriumbicarbonat und bei organischen Basen steigert Ansäuerung des Harns durch Ammoniumchlorid die renale Elimination: Durch Überwiegen der ionisierten Arzneistoffe nimmt deren passive tubuläre Rückdiffusion ab. In der Vergangenheit war dieses Prinzip zusammen mit der Zufuhr großer Flüssigkeitsmengen zur Steigerung des Urinflusses in der Vergiftungsbehandlung wichtig (sog. forcierte Vergiftungen:HarnansäuerungDiurese). Heute stehen mit Hämodialyse Urin-pH:Vergiftungenund Hämofiltration effektivere und sicherere Harnansäuerung:VergiftungenEliminationsverfahren zur Verfügung (Kap. 36.1.1).
Biliäre Exkretion
Diurese:forcierteMit den täglich produzierten 500–1.000 ml Galle werden endogene Substanzen wie Gallenwege:ExkretionBilirubin und Exkretion:biliäreGallensäuren ausgeschieden. 95% der Gallensäuren werden im Dünndarm reabsorbiert. Für die Aufnahme dieser Substanzen in die Bilirubin:ExkretionHepatozyten und die Exkretion in die Gallengänge verfügt die Leber analog den Nieren Gallensäuren:Exkretionüber eine Reihe von aktiven Transportprozessen, für die auch Arzneistoffe und deren Metaboliten Substrate sind. Abbildung 1.47 zeigt eine Übersicht.
Wichtige Transporterproteine, die durch ihre Lokalisation an der basolateralen Membran der Hepatozyten für die Aufnahme ihrer Substrate aus dem Pfortaderblut in die Leberzelle verantwortlich sind, sind NTCP (Na+-taurocholate cotransporting polypeptide) und verschiedene OATP-Transporter (organic anion transporting polypeptide)NTCP (Na+-taurocholate cotransporting polypeptide). NTCP ist vorwiegend für die Aufnahme von konjugierten Gallensäuren verantwortlich, OATP (organic anion transporting polypeptide)OATP1B1 hingegen (genetisch als SLCO1B1 bezeichnet) hat ein relativ breites organic anion transporting polypeptide (OATP)Substratspektrum. Substrate sind z.B. unkonjugierte Gallensäuren, organische Anionen, zahlreiche weitere lipophile Substanzen, das Statin Atorvastatin und das Chemotherapeutikum Methotrexat (Kap. 25.2.2). Genetische Varianten von SCLO1B1 wurden mit der Statin-induzierten Rhabdomyolyse assoziiert. Eine Kombination von genetischen Variationen des SLCO1B1- und SLCO1B3-Gens ist für das mit konjugierter Hyperbilirubinämie einhergehende Rotor-SCLO1B1-GenSyndrom verantwortlich. Auch die Kationentransporter OCT1 (organic cation transporter 1) und OCT3 sowie der Anionentransporter OAT3 (Rotor-Syndromorganic anion transporter 3) kommen basolateral in der OCT (organic cation transporter)Hepatozytenmembran vor. Als Effluxtransporter an der basolateralen Membran des Hepatozyten OAT (organic anion transporter)wurden Transportproteine aus der Familie der „multidrug resistance-associated Hepatozyten:Transporterproteineproteins“ identifiziert (MRP3, -4, -5 und -6). Sie transportieren unter anderem organische Anionen aus der Leberzelle.
Wichtige Transporterproteine der kanalikulären MRP (multidrug resistance-associated protein)Hepatozytenmembran (Abb. 1.47) sind MDR1 und MRP2. MRP2 pumpt ein breites Spektrum organischer Anionen (z.B. Bilirubindiglucuronid) aus den Hepatozyten in die Galle und transportiert zahlreiche wichtige Arzneistoffe wie Proteaseinhibitoren, Irinotecan und MRP2:HepatozytenMethotrexat. Genetische Varianten im MRP2-(ABCC2-) Gen sind für das mit konjugierter Hyperbilirubinämie einhergehende Dubin-Johnson-Syndrom verantwortlich. BSEP (bile salt export ABCC2-Genpump; Dubin-Johnson-SyndromABCB11), transportiert Gallensäuren in die Galle. BCRP (breast BSEP (bile salt export pump)cancer resistance bile salt export pump (BSEP)ABCB11-Genprotein, genetisch als ABCG2 bezeichnet) ist wichtig für BCRP (breast cancer resistance protein)die Ausscheidung von sulfatierten Steroidkonjugaten bzw. auch breast cancer resistance protein (BCRP)Gallensäurekonjugaten in den Darm. Es verdankt seinen Namen der Entdeckung in einer Brustkrebszelllinie, die für eine ABCG2-GenVielzahl von Arzneistoffen resistent war.
Intestinale Sekretion
Die Resorption von Arzneistoffen nach oraler Gabe erfolgt in der Regel abhängig von ihren physikochemischen Eigenschaften durch passive Diffusion.Sekretion:intestinale Untersuchungen in den letzten Jahren haben jedoch gezeigt, Darm:Sekretiondass ABC-Transporter wie P-Glykoprotein (MDR1) in der Darmmucosa eine aktive Barrierefunktion ausüben (Abb. 1.48).
Sie sind in der apikalen Enterozytenmembran P-Glykoprotein (Pgp)lokalisiert und im Zusammenspiel mit den in denselben Zellen MDR1:Darmmukosavorhandenen arzneistoffmetabolisierenden Enzymen für die sehr niedrige orale Bioverfügbarkeit mancher Arzneistoffe verantwortlich. Sie transportieren in die Enterozyten aufgenommene Fremdstoffe zurück in das Darmlumen. Dadurch wird die intrazelluläre Arzneistoffkonzentration niedrig gehalten und eine Sättigung der arzneistoffmetabolisierenden Enzyme Enterozyten:Transporterproteineverhindert. So resultiert eine effektivere Metabolisierung. Zudem werden in den Enterozyten gebildete Metaboliten über die Transporter in das Darmlumen sezerniert; möglicherweise wird dadurch eine Produkthemmung der Enzyme aufgrund hoher intrazellulärer Metabolitenkonzentrationen verhindert. Auch dies trägt zu einem effektiveren First-Pass-Metabolismus bei. So kommt es zu der teilweise sehr niedrige Bioverfügbarkeit von HIV-1-Proteaseinhibitoren wie Indinavir, Nelfinavir und Saquinavir. Welchen Anteil an der First-Pass-Effekt:Enterozyten-TransporterproteineGesamtelimination die intestinale Sekretion von Arzneistoffen und Metaboliten im Vergleich zur renalen und biliären Exkretion ausmacht, ist bisher nur unvollständig bekannt.

Pharmakogenetik

Die Pharmakogenetik untersucht, inwieweit Polymorphismen oder seltene genetische Varianten die Pharmakokinetik und Pharmakodynamik eines Arzneistoffs beeinflussen. Der PharmakogenetikBegriff „Pharmakogenetik“ wurde 1959 von dem Heidelberger Humangenetiker Friedrich PolymorphismusVogel (1925–2006) geprägt.
Von einem genetischen Polymorphismus sprechen wir, wenn ein monogen vererbtes Merkmal in der Bevölkerung in Vogel:Friedrichmindestens zwei Phänotypen und damit mindestens zwei Genotypen auftritt, wobei keines Polymorphismus:genetischerder Allele eine geringere Häufigkeit als 1–2% aufweist. Bei einer Allelfrequenz < 1% spricht man von seltenen genetischen Varianten. Für die Häufigkeit genetischer Polymorphismen gibt es erhebliche ethnische Unterschiede.
In den vergangenen Jahren ist der Begriff Pharmakogenomik in die Literatur eingeführt worden. Im Gegensatz zur Pharmakogenetik, die sich mit den Konsequenzen von Mutationen eines Gens befasst, nutzt die Pharmakogenomik einen genomweiten Ansatz zur PharmakogenomikIdentifizierung von Genen, die an der Entstehung von Erkrankungen beteiligt sind. Dieser Ansatz trägt zu einer neuen Krankheits- und Therapieklassifikation auf molekularer Ebene bei und erlaubt es, wie Beispiele der jüngsten Vergangenheit zeigen (z.B. Imatinib-Therapie bei Bcr-Abl-positiven Leukämien wie der chronisch myeloischen Leukämie), bei genetisch definierten Untergruppen von Patienten eine spezifische Arzneimitteltherapie einzusetzen.
Pharmakogenetische Phänomene lassen sich auf die folgenden Mechanismen zurückführen:
  • 1.

    Arzneistoffe werden enzymatisch so verändert, dass sie schneller aus dem Organismus Pharmakogenetik:Mechanismenausgeschieden werden. In der Regel besitzen diese Stoffwechselprodukte keine Wirkung oder eine geringere als der Arzneistoff. Bisher sind eine Vielzahl von Varianten in den Genen identifiziert worden, die die Synthese arzneistoffabbauender Enzyme kontrollieren. Varianten, die einen Funktionsverlust bewirken, führen zu einer sehr langsamen Elimination von Medikamenten, die Substrate für diese Enzyme sind. Es kommt zur Akkumulation im Organismus und daraus resultierend zu Nebenwirkungen (Abb. 1.49A). Im Falle jener Arzneistoffe, die ihre Wirkung erst als Metabolit entfalten (Pro-Drugs), kommt es umgekehrt zum Wirkverlust. Individuen mit einem defizienten Metabolismus bestimmter Arzneistoffe bezeichnet man phänotypisch als defiziente Pro-DrugsMetabolisierer (poor metabolisers, PM) im Unterschied zu den normalen Metabolisierer:normaleMetabolisierern (extensive metabolisers, Metabolisierer:defizienteEM). Tabelle 1.14 fasst Beispiele genetischer poor metabolisers (PM)Polymorphismen und seltener Defekte arzneistoffabbauender Enzyme zusammen.

  • 2.

    An der Aufnahme von Arzneistoffen aus dem Darm in extensive metabolisers (EM)den Organismus, dem Übertritt aus der Blutbahn an den Wirkort (z.B. Gehirn) und der Ausscheidung über die Leber und Niere sind Transporterproteine beteiligt. Transporter in den Endothelzellen der Blutkapillaren des Gehirns sind Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke. Genetische Varianten, die die Expression und Funktion von Transporterproteine:genetische VariantenTransporterproteinen verändern, beeinflussen Umfang und Geschwindigkeit des Transports. In Abhängigkeit vom Genotyp kann somit der Transfer von Arzneistoffen aus der Blutbahn an den Wirkort erheblich variieren. Trotz vergleichbarer Plasmakonzentrationen eines Arzneistoffs können somit Wirkung und Nebenwirkung von Patient zu Patient sehr unterschiedlich sein (Abb. 1.49B). Ein Beispiel ist eine genetische Variante des hepatischen Aufnahmetransporter SLCO1B1, die ein Risikofaktor für die Statin-induzierte Rhabdomyolyse ist (s.o.).

  • 3.

    Die Wirkung von Arzneistoffen erfolgt über die Bindung an Zellstrukturen (z.B. Rezeptoren, Ionenkanäle, SLCO1B1:genetische VarianteEnzyme). Varianten dieser Zellstrukturen können dazu führen, dass trotz vergleichbarer Arzneistoffkonzentrationen am Wirkort keine oder nur eine abgeschwächte Wirkung resultiert (Abb. 1.49C). Eine fehlende Wirkung kann auch darauf zurückzuführen sein, dass die Zielstruktur nicht vorhanden ist (z.B. keine Wirkung von Tamoxifen beim Mammakarzinom bei fehlender Estrogenrezeptorexpression). Wichtige weitere Beispiele für polymorphe Rezeptoren sind die β1- bzw. β2-Adrenozeptoren, verschiedene Dopaminrezeptoren und der Vitamin-D-Rezeptor. Als polymorphe wirkungsvermittelnde Enzyme sind das Angiotensin-Conversionsenzym, Rezeptoren:polymorpheApolipoprotein E und die 5-Lipoxygenase zu nennen.

Im Folgenden werden die Polymorphismen der Enzyme CYP 2D6, CYP 2C19 und NAT II mit ihren Konsequenzen für die Arzneitherapie dargestellt. Eine systematische Zusammenstellung aller bisher bekannten Polymorphismen von Cytochrom-P450-Enzyme:polymorpheEnzymen ist unter der Webseite www.cypalleles.ki.se/ zu finden.
Cytochrom-P450-2D6-Polymorphismus
Cytochrom-P450-Enzyme:polymorpheBei diesem Polymorphismus (Abb. 1.50), der nach den beiden zu seiner Entdeckung führenden Cytochrom-P450-2D6-PolymorphismusArzneistoffen auch Spartein/Debrisoquin-Polymorphismus:Cytochrom P450 2D6Polymorphismus genannt wird, wird in 5–10% der europäischen Population das Cytochrom-P450-2D6 (CYP 2D6) nicht normal exprimiert.
Das die Spartein-PolymorphismusSynthese dieses Cytochroms codierende Gen ist auf dem langen Arm Debrisoquin-Polymorphismusdes Chromosoms 22 lokalisiert. Von den mehr als 100 bisher identifizierten Allelen sind wenigstens 16 dafür verantwortlich, dass CYP 2D6 nicht gebildet wird. Bei homozygoten Defektallelträgern für diese Varianten resultiert daraus ein defizienter Metabolisierer-Phänotyp. Des Weiteren sind Varianten bekannt, bei denen ein in seinen katalytischen Eigenschaften verändertes Enzym gebildet wird, was phänotypisch mit einer herabgesetzten CYP-2D6-Aktivität einhergeht (intermediäre Metabolisierer, IM). Auch hier besteht unter Standarddosis ein erhöhtes Risiko für Nebenwirkungen. Bei mehr als 70 Arzneistoffen wird der Metabolisierer:intermediäreMetabolismus nahezu ausschließlich oder teilweise durch CYP-2D6 Metabolisierer:intermediärekatalysiert. Es handelt sich dabei um Antiarrhythmikader Klasse I, Neuroleptika, Antidepressiva, einige β-Blocker, 5-HT3-Rezeptor-Antagonisten, Amphetamin und Derivate, Opioide und Tamoxifen. Da bei defizienten Metabolisierern die Elimination der betroffenen Arzneistoffe erheblich eingeschränkt ist, kommt es zur Kumulation und daraus resultierend zu Nebenwirkungen (Abb. 1.50). So treten von der Plasmakonzentration abhängige Nebenwirkungen unter einer Therapie mit Antiarrhythmika und Antidepressiva nahezu ausschließlich bei defizienten Metabolisierern auf. Ein Beispiel für die Verlängerung der Eliminationshalbwertszeit wurde schon oben gegeben: das Perhexilin (Abb. 1.30). Andererseits kann das Fehlen von CYP2D6 zur verminderten Bildung aktiver Metaboliten führen, z.B. beim Tamoxifen. Deshalb haben CYP2D6-poor-metabolizer-Patientinnen mit postmenopausalem Brustkrebs und Tamoxifentherapie ein erhöhtes Rezidivrisiko.
Das entgegengesetzte Extrem ist der Phänotyp der sogenannten extrem schnellen Metabolisierer (ultrarapid metabolisers, UM) als Ursache für eine fehlende therapeutische Wirksamkeit. Genetisch ist dafür eine Metabolisierer:extrem schnelleAmplifikation bestimmter Bereiche des CYP-2D6-Gens verantwortlich, die bei 2–3% der Bevölkerung auftritt ultrarapid metabolisers (UM)(Abb. 1.50). Beim Antidepressivum Nortriptylin, einem Substrat von CYP 2D6, muss in Abhängigkeit vom Metabolisierer-Phänotyp die Dosierung zwischen 10 und 500 mg variiert werden, um den gewünschten therapeutischen Effekt zu erzielen und Nebenwirkungen zu vermeiden.
Cytochrom-P450-2C19-Polymorphismus
Etwa 2–5% der europäischen Bevölkerung sind nicht in der Lage, den Hauptmetaboliten des Antiepileptikums Cytochrom-P450-2C19-PolymorphismusMephenytoin zu bilden, daher auch Mephenytoin-Polymorphismus:Cytochrom P450 2C19Polymorphismus. Das Enzym ist Cytochrom-P450-2C19 (CYP 2C19). Bisher sind mehrere Allele mit fehlender oder herabgesetzter Enzymfunktion identifiziert worden. Defiziente Metabolisierer sind homozygot für Mephenytoin-Polymorphismusein autosomal-rezessives Allel. Interessant ist, dass der CYP-2C19-Metabolisierungsdefekt bei Japanern, Koreanern und Chinesen mit einer Häufigkeit von 15–23% auftritt, bei Europäern dagegen nur in 2–5% (Tab. 1.14).
Die Zahl der Arzneistoffe, die durch CYP 2C19 verstoffwechselt werden, ist allerdings gering. Dazu gehören der Protonenpumpenhemmer Omeprazol, der zu unwirksamen, und der Plättchenaggregationshemmer Clopidogrel, der zu einem wirksamen Metaboliten Omeprazol:CYP-2C19-Metabolismusumgewandelt wird. Patienten mit homozygot defizientem oder heterozygotem Genotyp, die wegen eines peptischen Ulkus mit Omeprazol behandelt werden, Clopidogrel:CYP-2C19-Metabolismussprechen besser auf die Therapie an als Patienten mit einem normalen Metabolismus. Umgekehrt haben Patienten mit homozygot defizientem oder heterozygotem Genotyp, die nach einer Stent-Implantation mit Clopidogrel behandelt werden, ein höheres Risiko einer Stent-Thrombose.
N-Acetyltransferase-II-Polymorphismus
Der Polymorphismus der N-Acetyltransferase II (NAT II) manifestiert sich in der N-Acetyltransferase II (NAT II):PolymorphismusBevölkerung in den beiden Phänotypen Schnell- und Langsam-Acetylierer. Die Häufigkeit variiert in verschiedenen Ethnizitäten erheblich. Beträgt der Polymorphismus:N-Acetyltransferase II (NAT II)Anteil der Langsam-Acetylierer in der europäischen und afrikanischen Bevölkerung ca. 50% (Tab. 1.14), so sind Chinesen, Japaner und Acetylierer:schnelle/langsameEskimos nahezu ausschließlich Schnell-Langsam-AcetyliererAcetylierer (> 90%). Für die NAT II sind bisher wenigstens 25 Varianten beschrieben worden, die mit einem Funktionsverlust oder einer Funktionseinschränkung assoziiert sind. Langsam-Acetylierer sind homozygot für ein Schnell-Acetyliererautosomal-rezessives Allel. Isoniazid, Hydralazin, Procainamid, Dapson, Sulfamethazin und Aminoglutethimid unterliegen diesem Acetylierungspolymorphismus.
Der Polymorphismus ist wichtig für Nebenwirkungen. Bei Langsam-Acetylierern kommt es nach Gabe von Isoniazid häufiger zu einer Hepatitis, nach Procainamid oder Hydralazin häufiger zu einem arzneistoffinduzierten Lupus-erythematodes-Procainamid:N-Acetyltransferase-II-PolymorphismusSyndrom und nach Hydralazin:N-Acetyltransferase-II-PolymorphismusGabe von Sulfonamiden häufiger zu einer allergischen Reaktion im Sinne eines Stevens-Lupus-erythematodes-Syndrom:arzneistoffinduziertesJohnson-Syndroms. Ein Unterschied Sulfonamide:Stevens-Johnson-Syndromzwischen Schnell- und Langsam-Acetylierern hinsichtlich der Wirksamkeit von Isoniazid bei Lungentuberkulose ist bei der bei uns üblichen Therapie, die in der Stevens-Johnson-Syndrom:sulfonamidbedingtestäglichen Verabreichung von Isoniazid in Kombination mit anderen Tuberkulostatika besteht, nicht zu erwarten. Der Unterschied hat jedoch Relevanz für die Tuberkulosebehandlung in Ländern der Dritten Welt, da dort häufig ein Therapieschema mit ein- oder zweimal wöchentlicher Verabreichung von Tuberkulosebehandlung:IsoniazidIsoniazid durchgeführt wird. Unter diesen Bedingungen sind Therapieversager bei Schnell-Acetylierern wesentlich häufiger als bei Langsam-Acetylierern.

Arzneistoffkonzentration im Organismus in Abhängigkeit von der Zeit: Pharmakokinetik im engeren Sinn

Isoniazid:N-Acetyltransferase-II-PolymorphismusM. Eichelbaum und M. Schwab6

6

Die Autoren danken Prof. Dr. B. Fichtl für die Erlaubnis, Teile seines Textes in die neue Auflage übernehmen zu dürfen.

Die Pharmakokinetik im engeren Sinn befasst sich mit dem zeitlichen Verlauf der Konzentration eines Pharmakons im Organismus. So wurde der Begriff „Pharmakokinetik“ 1953 von dem Pädiater Friedrich Hartmut Pharmakokinetik:im engeren SinnDost in seinem Werk „Der Blutspiegel – Kinetik der Konzentrationsabläufe in der Kreislaufflüssigkeit“ geprägt.

Pharmakokinetische Parameter

Die Bedeutung der Dost:Friedrich HartmutPharmakokinetik für die Therapie ergibt sich aus der zentralen Rolle der Arzneistoffkonzentration für Wirkungen und Nebenwirkungen. Sowohl die erwünschten wie auch die meisten unerwünschten Wirkungen eines Pharmakokinetik:ParameterArzneistoffs werden entscheidend von seiner Konzentration geprägt. Diese Konzentration hängt einerseits von der Dosis und andererseits von den pharmakokinetischen Eigenschaften des Arzneistoffs beim betreffenden Individuum ab.
Für die meisten Pharmaka besteht eine Beziehung zwischen ihrer Konzentration am Wirkort und ihrer Wirkung (Kap. 1.2). Allerdings lässt sich die Konzentration am Wirkort meist nicht messen, sodass man zur pharmakokinetischen Analyse im Wesentlichen auf die Messung der Konzentrationen im Plasma oder im Urin angewiesen ist. Für viele Arzneistoffe besteht aber auch eine Beziehung zwischen ihrer Plasmakonzentration und ihrer Wirkung (Abb. 1.51). Die Konzentration im Plasma ist daher eine wichtige pharmakokinetische „Zielgröße“.
Der zeitliche Verlauf der Konzentration eines Pharmakons im Organismus wird bestimmt durch das Zusammenspiel von Eintritt, Verteilung und Elimination. Die für die Praxis wichtigsten Parameter zur Beschreibung dieser Vorgänge sind die Bioverfügbarkeit, das Verteilungsvolumen, die Clearance und die Eliminationshalbwertszeit.
Grundsätzlich ist dabei zu berücksichtigen, dass diese Größen nicht nur von den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Pharmakons abhängen. Pharmakokinetische Parameter unterliegen auch bei Gesunden erheblichen interindividuellen Schwankungen und werden durch eine Vielzahl von Faktoren wie z.B. Lebensalter, Krankheiten oder Wechselwirkungen mit anderen Pharmaka beeinflusst. Eine scheinbar veränderte „Empfindlichkeit“ gegenüber einem Pharmakon ist häufig durch solche Änderungen seiner Pharmakokinetik bedingt.
Bioverfügbarkeit
Unter Bioverfügbarkeit versteht man die Verfügbarkeit eines extravasal applizierten Pharmakons für seine Wirkung, also den Arzneimittel(therapie):BioverfügbarkeitAnteil der Dosis, der den systemischen Kreislauf und damit den Wirkort erreicht. Bei oraler BioverfügbarkeitApplikation wird die Bioverfügbarkeit demnach sowohl durch unvollständige gastrointestinale Resorption als auch durch präsystemischen Metabolismus in Darmschleimhaut und Leber („first-pass“) vermindert (Abb. 1.52). Ist der First-Pass-Metabolismus beeinträchtigt – dies kann bei Leberzirrhose oder bei portokavalen Shunts ausgeprägt der Fall sein –, resultieren eine deutlich höhere Bioverfügbarkeit und ein entsprechend First-Pass-Effekt:Bioverfügbarkeitreduzierter Dosisbedarf.
Nach dieser Definition ist ein Pharmakon bei intravenöser Gabe zu 100% bioverfügbar. Angaben zur Bioverfügbarkeit beziehen sich immer auf eine bestimmte Zubereitung eines Arzneistoffs. Aus verschiedenen Zubereitungen kann ein und derselbe Stoff unterschiedlich „bioverfügbar“ sein.
Bioverfügbarkeit und „Fläche unter der Kurve“
Verabreicht man die gleiche Dosis eines Pharmakons einmal intravenös und einmal extravasal, so Bioverfügbarkeit:area under the curve (AUC)ergeben sich unterschiedliche Konzentrationsverläufe im Plasma (AUC (area under the curve):BioverfügbarkeitAbb. 1.53a).
Wie später genauer erklärt wird (Abb. 1.56), hat die Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve (area under the curve, AUC) eine wichtige Eigenschaft: Sie ist, unabhängig von der Applikationsart, proportional der Menge, die ins systemische Blut gelangt, also proportional der bioverfügbaren Menge. Dieses area under the curve s. AUCPrinzip der korrespondierenden Flächen“ (Dost) erlaubt eine Quantifizierung der Bioverfügbarkeit. Ist z.B. nach oraler Gabe eines Pharmakons die Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve genauso groß wie nach i.v. Gabe der gleichen Dosis, so beträgt die orale Bioverfügbarkeit 100%. Ist dagegen die Fläche nach oraler Gabe geringer, so ist auch die Bioverfügbarkeit entsprechend geringer (Abb. 1.53b).
Bioverfügbarkeit und hepatischer First-Pass-Effekt
Bei Pharmaka, die einem ausgeprägten hepatischen First-Pass-EffektBioverfügbarkeit:First-Pass-Effekt unterliegen, hängt die Bioverfügbarkeit stark von der Leberfunktion ab. Solche Pharmaka Leber:First-Pass-Effektwerden bei der Leberpassage in erheblichem Ausmaß aus dem Pfortaderblut „extrahiertFirst-Pass-Effekt:hepatischer“. Das hat zur Folge, dass bereits kleine Änderungen der Extraktion zu großen Änderungen des nichtextrahierten Anteils und damit der Bioverfügbarkeit führen können (Abb. 1.54).
So ist die Bioverfügbarkeit von Pharmaka mit hohem First-Pass-Effekt bei Lebererkrankungen deutlich erhöht (Tab. 1.15). Auch bei alten Menschen kann durch Verringerung der hepatischen Extraktion die Bioverfügbarkeit solcher Pharmaka zunehmen (Tab. 1.18).
Verteilungsvolumen
Unter dem scheinbaren oder apparenten Verteilungsvolumen versteht man das Flüssigkeitsvolumen, das Arzneimittel(therapie):Verteilungsvolumenzur Auflösung der gesamten Pharmakonmenge erforderlich wäre, um dieselbe Konzentration zu erhalten, die im Plasma gefunden wird. Das Verteilungsvolumen:scheinbares/apparentesVerteilungsvolumen stellt die Verbindung zwischen der intravenös verabreichten Dosis D und der resultierenden initialen Plasmakonzentration c0 her und wird oft auf das Körpergewicht bezogen (L/kg):
In Tabelle 1.16 sind Verteilungsvolumina zusammengestellt.
Bei bestimmten Arzneistoffen kann das Verteilungsvolumen das Körpervolumen weit übertreffen, wenn die Substanz in Geweben angereichert wird. Zum Beispiel ergibt sich für Chlorpromazin ein Verteilungsvolumen von 20 L/kg, das entspricht 1400 L bei einem Patienten mit einem Körpergewicht von 70 kg. Bei der Interpretation solcher Werte ist zu berücksichtigen, dass das Chlorpromazin:Verteilungsvolumenberechnete Verteilungsvolumen nicht nur von der Größe der realen Verteilungsräume eines Pharmakons abhängt, sondern auch vom Ausmaß seiner Anreicherung im Plasma bzw. in den Geweben. Aus diesem Grund wird vom „scheinbaren“ (apparenten) Verteilungsvolumen gesprochen (Abb. 1.55).
Für Dosierungsüberlegungen ist das Verteilungsvolumen in erster Linie bei Einmal- bzw. Initial-(Loading-)Dosen bedeutsam.
Clearance
Dosierung:VerteilungsvolumenDie wichtigste Größe, die die Elimination charakterisiert, ist die Clearance. Arzneimittel(therapie):ClearanceDie Gesamt-Plasmaclearance gibt diejenige Elimination:ClearancePlasmamenge an, die pro Zeiteinheit von dem Pharmakon geklärt wird. Sie stellt die Summe der Clearances Clearancealler an der Elimination beteiligten Organe dar, in erster Linie der Gesamt-PlasmaclearanceNieren (CLR) und der Leber (CLNR, nicht renal). Die Kenntnis des Haupteliminationsweges des Arzneimittels ist deswegen wichtig, weil Nieren:ClearanceFunktionseinschränkungen (z.B. Niereninsuffizienz bzw. Leberzirrhose oder genetisch Leber:Clearancebedingter Enzymmangel) sich in einer reduzierten Gesamt-Clearance niederschlagen und bei der Verordnung durch eine reduzierte Dosis berücksichtigt werden müssen. Funktionsstörungen eines Organsystems wirken sich umso stärker auf die Elimination aus, je größer dessen Anteil an der Gesamt-Clearance ist. Die Clearance ist somit ein Maß für die Fähigkeit des Organismus, ein Pharmakon zu eliminieren.
Für Dosierungsüberlegungen ist das Clearance-Konzept außerordentlich hilfreich. Ein Vorteil besteht darin, dass die Clearance eine aus der Nierenphysiologie vertraute Größe ist. Der Ansatz geht von der Annahme aus, Dosierung:Clearancedass die pro Zeiteinheit eliminierte Arzneimittelmenge („Ausfuhr“) proportional der im Fließgleichgewicht (steady state) bestehenden Konzentration css ist. Diese Annahme trifft für die meisten Arzneimittel zu. Die Clearance ist der Proportionalitätsfaktor dieser Beziehung:
Ausfuhr = css × CL(8)
Aus der Definitionsgleichung ergibt sich, dass die Einheit der Clearance Volumen pro Zeit ist, z.B. ml × min–1 bzw., auf das Körpergewicht bezogen, ml × min–1 × kg–1.
Die „Einfuhr“ entspricht der pro Zeiteinheit zugeführten Dosis. Im Falle der oralen Verabreichung muss die Dosis um die Bioverfügbarkeit korrigiert werden, und die Zeiteinheit wird zweckmäßigerweise in Form des Dosierungsintervalls τ angegeben:
Im Fließgleichgewicht ist die Einfuhr gleich der Ausfuhr. Damit ergibt sich folgende zentrale Beziehung:
Daraus folgt, dass bei allen Zuständen mit reduzierter Clearance entweder die Dosis verringert oder das Dosierungsintervall verlängert werden muss, wenn es nicht zu einer Erhöhung der Plasmakonzentration mit dem Risiko toxischer Wirkungen kommen soll. Die Clearance ist eine Größe, die für das betreffende Individuum in Bezug auf den Arzneistoff charakteristisch ist. Das Clearance-Konzept ist deshalb so nützlich, weil es auf die Annahme komplizierter pharmakokinetischer Modelle nicht angewiesen ist.
Bestimmung der Clearance
Die totale Clearance (CL) lässt sich nach i.v. Gabe einer Einzeldosis (D) allein anhand von Plasmakonzentrationsmessungen ermitteln. Es gilt nämlich die Beziehung
wobei ClearanBestimmungAUC die Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve ist (Abb. 1.56).
Analog lässt sich die renale ClearanAUC (area under the curve)Clearance als Quotient aus der im Urin ausgeschiedenen Menge und AUC AUC (area under the curve):Clearanceermitteln (Kap. 1.4.5). Aus der Differenz von totaler und renaler Clearance ergibt sich schließlich die extrarenale Clearance.
Halbwertszeit
Unter der Eliminationshalbwertszeit versteht man die Zeit, in der Arzneimittel(therapie):Halbwertszeitdie Arzneistoffkonzentration im Blut bzw. Organismus um 50% abnimmt. Vielfach wird die HalbwertszeitEliminationshalbwertszeit als quantitatives Maß für die Elimination Elimination:Halbwertszeitangegeben. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Eliminationshalbwertszeit von zwei pharmakokinetischen Größen, dem Verteilungsvolumen und der Clearance, abhängt, weshalb man sie auch als „hybriden“ pharmakokinetischen Parameter bezeichnet:
Da sowohl das Verteilungsvolumen als auch die Clearance für sich getrennt krankheitsbedingten Veränderungen unterliegen können, ist die Verteilungsvolumen:HalbwertszeitEliminationshalbwertszeit als zusammengesetzte Größe allein nicht für Dosierungsüberlegungen ClearanHalbwertszeitgeeignet.
Wenn die Eliminationsgeschwindigkeit proportional zur jeweiligen Plasmakonzentration ist, fällt die Plasmakonzentration zunächst rasch, mit abnehmender Plasmakonzentration immer langsamer ab. Man bezeichnet dies als „Kinetik 1. Ordnung“. Analog spricht man von einer „Kinetik 0. Ordnung“, wenn die pro Zeiteinheit ausgeschiedene Menge eines Elimination:Kinetik 1./0. OrdnungPharmakons konstant und damit unabhängig von der aktuellen Kinetik 1./0. Ordnung:EliminationPlasmakonzentration ist7

7

Diese Bezeichnungen ergeben sich aus den die jeweilige Eliminationskinetik beschreibenden Differenzialgleichungen:

– dc/dt = k × c = k × c1 (Kinetik 1. Ordnung) bzw.

– dc/dt = k = k × c0 (Kinetik 0. Ordnung)

. Beispielsweise folgt die Elimination von Ethanol aus dem Organismus weitgehend einer Kinetik 0. Ordnung. Auch bei manchen anderen Pharmaka, wie z.B. Phenytoin oder Salicylsäure, kann es nach Gaben hoher Dosen – bedingt durch eine Sättigung der hepatischen Eliminationskapazität – zu einem Übergang von der normalen Kinetik 1. Ordnung zu einer Kinetik 0. Ordnung kommen. Hieraus können sich erhebliche Probleme ergeben.
Der zeitliche Verlauf der Plasmakonzentration folgt bei einer Elimination 1. Ordnung einer Exponentialfunktion (Abb. 1.57A). Trägt man die Plasmakonzentrationen im logarithmischen Maßstab auf, so liegen die Messpunkte auf einer geraden Linie, wodurch sich die Halbwertszeit einfach ermitteln lässt (Abb. 1.57B).
Vorteilhaft ist die Eliminationshalbwertszeit für die Abschätzung der Zeitdauer bis zum Erreichen eines neuen Gleichgewichts nach Dosisänderung. Wann ist z.B. bei Verordnung der Erhaltungsdosis von Therapiebeginn an das Fließgleichgewicht („steady state“) erreicht und wann ist nach Absetzen des Arzneimittels die Elimination annähernd abgeschlossen? In beiden Fällen ist dies – als Faustregel – nach fünf Eliminationshalbwertszeiten der Fall. Die bedeutet, dass bei einem Arzneistoff mit einer Eliminationshalbwertszeit von 4 Stunden etwa ein Tag, dagegen bei einem Arzneistoff mit einer Eliminationshalbwertszeit von 2 Monaten nahezu 1 Jahr verstreicht, bis er nach Einnahme der letzten Dosis aus dem Organismus verschwunden ist.
Häufig ist zur Beschreibung des Zeitverlaufs der Plasmakonzentration eines Pharmakons eine Summe von zwei oder mehr Exponentialfunktionen nötig. Bei halblogarithmischer Auftragung ergibt sich dann z.B. ein Verlauf wie in Abbildung 1.58. Der anfänglich raschere Abfall der Plasmakonzentrationen (α-Phase) ist vor allem durch die Verteilung des Pharmakons in die Gewebe bedingt. Die sich anschließende langsamere β-Phase ist Ausdruck der Elimination.
Als dominierende Halbwertszeit wird die Halbwertszeit der Phase bezeichnet, die am meisten zur AUC beiträgt. Häufig ist die Halbwertszeit des langsamsten Prozesses (terminale Halbwertszeit) auch die dominierende Halbwertszeit:dominierendeHalbwertszeit. Eine Ausnahme stellen z.B. die Aminoglykosidantibiotika dar. Die Plasmakonzentrationen von Halbwertszeit:terminaleGentamicin nehmen zunächst mit einer Halbwertszeit von ca. 2–3 Stunden auf sehr Aminoglykosidantibiotika:Halbwertszeitniedrige Werte ab (α-Phase). Daran schließt sich eine Phase mit einer wesentlich längeren Halbwertszeit (> 50 h) an. Gentamicin:HalbwertszeitWährend dieser β-Phase ist der langsame Rückstrom von Gentamicin aus bestimmten Geweben für die Elimination geschwindigkeitslimitierend. Die durch die terminale Halbwertszeit charakterisierte Phase trägt aber nur etwa 15% zu der gesamten AUC bei. Die für die Plasmakonzentrationen dominierende Halbwertszeit ist daher die Halbwertszeit der α-Phase.

Pharmakokinetische Modelle

Der zeitliche Verlauf der Konzentrationen eines Pharmakons in Blut, Plasma oder Exkreta lässt sich unter vereinfachenden Annahmen mithilfe sogenannter Pharmakokinetik:ModelleKompartimentmodelle beschreiben (Abb. 1.59).
Im einfachsten Fall nimmt man an, dass sich das Pharmakon in einem einheitlichen Volumen verteilt (Ein-Kompartiment-Modell). Kompartimentmodelle:pharmakokinetischeFür viele Pharmaka ist aber die Annahme von zumindest zwei Verteilungsräumen unterschiedlicher Größe und Zugänglichkeit erforderlich (Zwei- und Mehr-Kompartiment-Modelle). Ein-Kompartimentmodell:pharmakokinetischesDoch auch diese Modelle stellen eine erhebliche Vereinfachung der tatsächlich ablaufenden Zwei-Kompartimentmodell:pharmakokinetischeskomplexen Verteilungs- und Eliminationsvorgänge dar. Im Allgemeinen haben die Mehr-Kompartimentmodell:pharmakokinetischespharmakokinetischen Kompartimente keine direkte physiologische Entsprechung, sondern sind streng genommen nur mathematische Größen, die es erlauben, den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen eines Pharmakons in Plasma, Blut oder Exkreta zu beschreiben.
In den vergangenen Jahren hat man daher sogenannte physiologische pharmakokinetische Modelle entwickelt. Unter Zugrundelegung realer Organvolumina und Durchblutungsgrößen und Pharmakokinetik:Modellemithilfe experimentell bestimmter Daten für die Bindung an Plasma und Gewebe versucht man dabei, die Konzentration eines Pharmakons im Plasma und in den Geweben vorherzusagen.

Pharmakokinetik und Arzneistoffdosierung

Sättigungs- und Erhaltungsdosis
Eine wichtige Aufgabe der Pharmakokinetik besteht in der Beantwortung der Frage, wovon die Dosis abhängt, die benötigt wird,Dosierung:Pharmakokinetik um eine bestimmte, therapeutisch wirksame Plasmakonzentration Arzneimittel(therapie):Dosierungeines Arzneistoffs zu erzielen und aufrechtzuerhalten. Man muss dabei unterscheiden zwischen Sättigungsdosis und Erhaltungsdosis.
Unter der Sättigungsdosis (loading dose) versteht man diejenige Dosis, die notwendig ist, um eine bestimmte therapeutische Konzentration zu erreichen. Die SättigungsdosisErhaltungsdosis loading dose s. Sättigungsdosis(maintenance dose) dagegen ist die Dosis, mit der es gelingt, eine therapeutisch wirksame Konzentration aufrechtzuerhalten.
ErhaltungsdosisDie Menge eines Arzneistoffs, die man benötigt, um eine bestimmte maintenance dose s. ErhaltungsdosisPlasmakonzentration zu erzielen, ist umso größer, je größer das Verteilungsvolumen ist. Bei extravasaler Gabe ist noch zu berücksichtigen, dass nur ein Bruchteil F der Dosis bioverfügbar ist.
Die Erhaltungsdosis, die man pro Zeiteinheit zuführen muss, um eine bestimmte Plasmakonzentration aufrechtzuerhalten, muss gerade so groß sein wie die pro Zeiteinheit eliminierte Menge. Man beachte, dass zur Angabe einer Erhaltungsdosis immer auch eine Zeitangabe gehört (Dosis pro Zeit). Wird ein Arzneistoff kontinuierlich durch Dauerinfusion zugeführt, so entspricht die Erhaltungsdosis der Infusionsrate R (z.B. 100 mg/h). Bei intermittierender Gabe wird die Erhaltungsdosis durch Einzeldosis und Dosierungsintervall charakterisiert (z.B. 800 mg alle 8 h).
Die Sättigungsdosis wird also durch das Verteilungsvolumen bestimmt. Die praktisch noch wichtigere Erhaltungsdosis wird dagegen durch die Clearance bestimmt, ist aber Verteilungsvolumen:Sättigungsdosisunabhängig vom Verteilungsvolumen.
Häufig wird auf die Gabe einer Sättigungsdosis verzichtet und die Therapie mit der Erhaltungsdosis begonnen. Wie schnell nähert sich ClearanErhaltungsdosisdie Plasmakonzentration dann dem Gleichgewicht? Nach der Definition ist die Halbwertszeit diejenige Zeitspanne, in der die Konzentration eines Pharmakons um die Hälfte abgenommen hat. Entsprechend ist die Konzentration nach zwei Halbwertszeiten (t1/2) ein Viertel des Halbwertszeit:DosierungAusgangswertes, nach drei t1/2 ein Achtel, nach vier t1/2 ein Sechzehntel und nach fünf t1/2 ein Zweiunddreißigstel bzw. nur noch rund 3% des Ausgangswertes. Nach etwa 4 bis 5 Halbwertszeiten ist die Elimination eines Pharmakons weitgehend abgeschlossen. Die Halbwertszeit erlaubt also, die Verweildauer eines Pharmakons im Organismus abzuschätzen.
Durch die Halbwertszeit wird aber auch bestimmt, wie lange es bei kontinuierlicher Zufuhr bzw. bei wiederholter Gabe eines Pharmakons dauert, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte, nach zwei Halbwertszeiten sind drei Viertel der Gleichgewichtskonzentration erreicht usw. Bei Pharmaka mit sehr langer Halbwertszeit wie z.B. Digitoxin (t1/2 = 7 Tage) kann es daher sinnvoll sein, durch Gabe einer Initialdosis rasch Konzentrationen im therapeutischen Bereich zu erzielen, die dann durch die Erhaltungsdosis aufrechterhalten werden.
Auch bei Änderungen der Erhaltungsdosis ist die Zeit bis zur Einstellung des neuen Gleichgewichts von der Halbwertszeit abhängig. Da die Gleichgewichtseinstellung rund 4 bis 5 Halbwertszeiten dauert, kann erst nach dieser Zeit die Auswirkung einer Dosisänderung endgültig beurteilt werden. Dies ist z.B. zu berücksichtigen, wenn Plasmakonzentrationen zur Therapiekontrolle gemessen werden.
Wiederholte Gabe von Pharmaka
Fluktuation
Bei intermittierender Gabe der Erhaltungsdosis ist die mittlere Plasmakonzentration unabhängig vom Arzneimittel(therapie):ApplikationVerteilungsvolumen. Vom Verteilungsvolumen abhängig ist aber die Größe der „Ausschläge“ der Applikation:wiederholtePlasmakonzentration zwischen Maximum und Minimum (Abb. 1.60).
Größere Schwankungen der Plasmakonzentration Arzneimittel(therapie):Fluktuationkönnen von praktischer Bedeutung sein. Es besteht dabei die Gefahr, dass entweder toxische Konzentrationen erreicht Fluktuation:Plasmakonzentrationwerden oder die minimale wirksame Konzentration unterschritten wird.
Plasmakonzentration:FluktuationIn diesem Fall wäre zu überlegen, das Dosierungsschema zu ändern. Wird die Erhaltungsdosis auf kleinere Einzeldosen aufgeteilt, die in kürzeren Dosierungsintervallen verabreicht werden, so werden die Schwankungen der Plasmakonzentration kleiner (Abb. 1.61).
Kumulation
Wird ein Pharmakon wiederholt in einem Zeitabstand gegeben, der zu kurz für die vollständige Elimination ist, so addiert sich die neue Arzneimittel(therapie):KumulationDosis zu dem im Körper verbliebenen Rest. Dieser Vorgang wird als KumulationKumulation bezeichnet. Die Menge im Organismus wird aber nicht unbegrenzt ansteigen. Gemäß dem Prinzip der Elimination erster Ordnung stellt sich schließlich ein Gleichgewicht ein. Die Zeitdauer, bis sich das Gleichgewicht einstellt, die Höhe der sich einstellenden Gleichgewichtskonzentration und die sich ergebenden Schwankungen um die mittlere Konzentration werden nach den oben beschriebenen Prinzipien von Erhaltungsdosis, Verteilungsvolumen, Clearance und Halbwertszeit bestimmt.
Das Ausmaß der Kumulation wird also vom Verhältnis zwischen Halbwertszeit und Dosierungsintervall (τ) bestimmt. Beispielsweise ergibt sich für Digitoxin (t1/2 = 7 Tage) bei täglicher Verabreichung (τ = 1 Tag), dass die Menge im Steady State rund 10-mal Halbwertszeit:Kumulationgrößer ist als bei Gabe einer Einzeldosis.
Zwei wichtige Folgerungen lassen sich daraus ziehen:
  • 1.

    Kumulation ist keine Stoffeigenschaft; jedes Pharmakon kumuliert, wenn das Dosierungsintervall im Verhältnis zur Halbwertszeit kurz ist.

  • 2.

    Bei gegebenem Dosierungsintervall (z.B. einmal täglich) besteht die Gefahr, dass durch Kumulation toxische Konzentrationen entstehen, bei Pharmaka mit langer Halbwertszeit größer als bei solchen mit kurzer Halbwertszeit.

Dosierung von Arzneistoffen nach Körpergewicht
Arzneistoffe werden häufig nach Körpergewicht dosiert. Dies wirft die Frage auf, inwieweit Dosierung:nach KörpergewichtVerteilungsvolumen und Clearance vom Körpergewicht abhängen.
Auf den ersten Arzneimittel(therapie):DosierungBlick erscheint es einleuchtend, dass die Größe des Verteilungsvolumens mit dem Körpergewicht zusammenhängt. Beispielsweise wird ein Mann, der 90 kg wiegt, sicher für viele Pharmaka ein größeres Verteilungsvolumen haben als ein Mädchen mit einem Körpergewicht von 45 kg. Ebenso kann man erwarten, dass Nieren und Leber des schwereren Individuums größer sind und somit auch seine Arzneistoff-Clearance. Verteilungsvolumen:KörpergewichtDie Clearance nimmt aber nicht proportional zum Körpergewicht zu, sondern korreliert besser mit der Körperoberfläche (vgl. Kap. 1.5.4 „Pharmakokinetik bei Kindern“).
Auch bei der Frage nach der richtigen Dosis für Patienten mit Übergewicht muss man sich vor Verallgemeinerungen hüten. Dazu ein Beispiel:
Diazepam ist eine sehr lipophile Substanz mit hoher Übergewicht:DosierungAffinität zum Fettgewebe. Ein adipöser Patient von 100 kg, der vor 10 Jahren noch 70 kg wog, wird heute ein wesentlich größeres Diazepam:Dosierung bei ÜbergewichtVerteilungsvolumen für Diazepam haben als damals. Dementsprechend benötigt dieser Patient heute eine höhere Sättigungsdosis von Diazepam als früher. Herzglykoside wie Digoxin haben dagegen keine besondere Affinität zum Fettgewebe und verteilen sich hauptsächlich im Muskelgewebe. Von Digoxin benötigt dieser Patient daher, trotz Übergewichts, heute die gleiche Sättigungsdosis wie vor 10 Jahren.
Geht man schließlich davon aus, dass sich die Funktionen von Leber und Nieren bei diesem Patienten durch die Zunahme des Körpergewichts nicht verändert haben, die Clearance also unverändert ist, so benötigt er von beiden Arzneistoffen heute die gleiche Erhaltungsdosis wie früher. Eine Dosierung nach Körpergewicht ist also nur begrenzt sinnvoll, und ihre Berechtigung hängt u.a. von den Eigenschaften des betreffenden Pharmakons ab.
Abweichungen von der normalen Pharmakokinetik
Beurteilung einer veränderten Halbwertszeit
Die Halbwertszeit eines Pharmakons kannArzneimittel(therapie):Halbwertszeit im Gefolge von Arzneimittelwechselwirkungen und Krankheiten wie auch in Abhängigkeit Halbwertszeit:Veränderungenvom Lebensalter erheblichen Veränderungen unterworfen sein. In Pharmakokinetik:Abweichungender Literatur findet man häufig Tabellen mit Angaben über solche Änderungen der Halbwertszeit. Die alleinige Angabe einer veränderten Halbwertszeit ist aber nicht ausreichend. Wie oben ausgeführt, ist die Halbwertszeit eines Pharmakons ein „hybrider“ pharmakokinetischer Parameter, dessen Größe sowohl vom Verteilungsvolumen als auch von der Clearance abhängt. Je nachdem, ob eine Änderung der Halbwertszeit durch eine Veränderung des Verteilungsvolumens oder durch eine Veränderung der Clearance bedingt ist, ergeben sich unterschiedliche Konsequenzen hinsichtlich einer Verteilungsvolumen:VeränderungenAnpassung der Dosierung. Ist z.B. die Halbwertszeit verlängert, weil die Clearance abgenommen hat, muss u.U. die ClearanVeränderungErhaltungsdosis verringert werden. Ist dagegen die Halbwertszeit verlängert, weil das Verteilungsvolumen zugenommen hat, so ist keine Änderung der Erhaltungsdosis nötig, der Patient braucht aber u.U. eine höhere Sättigungsdosis.
Ein weiteres Problem sei am Beispiel der Wechselwirkung zwischen Chinidin und Digoxin dargestellt. Bei Patienten, die auf Digoxin eingestellt sind, kommt es unter zusätzlicher Gabe von Chinidin zu einem Chinidin:Wechselwirkungstarken Anstieg der Plasmakonzentrationen von Digoxin, der eine erhebliche Digoxin:WechselwirkungDosisreduzierung des Digoxins notwendig macht. Dies liegt daran, dass Chinidin sowohl die renale als auch die extrarenale Clearance von Digoxin vermindert. Darüber hinaus kann durch Chinidin auch das Verteilungsvolumen von Digoxin vermindert werden. Bei manchen Patienten ist die relative Abnahme von Verteilungsvolumen und Clearance in etwa gleich groß. Daher haben diese Patienten eine unveränderte Halbwertszeit. Wie das Beispiel zeigt, können sich hinter einer normalen Halbwertszeit sehr wohl anormale pharmakokinetische Verhältnisse verbergen.
Änderungen der Bindung von Pharmaka
Das Ausmaß der Bindung von Pharmaka an Plasmaproteine kann durch Krankheitszustände wie Niereninsuffizienz oder Plasmaproteinbindung:ErkrankungenLebererkrankungen, durch Plasmaproteinbindung:WechselwirkungenPlasmaproteinbindung:altersabhängigeNiereninsuffizienz:PlasmaproteinbindungLebererkrankungen:PlasmaproteinbindungWechselwirkungen mit anderen Wechselwirkungen:PlasmaproteinbindungPharmaka oder in Abhängigkeit vom Lebensalter verändert sein. Häufig wird die Arzneimittel(therapie):WechselwirkungenMeinung vertreten, dass sich bei Veränderungen der Plasmaproteinbindung die Wirkung Arzneimittelwirkungen: Plasmaproteinbindungeines Pharmakons ändere. Dieser Mechanismus wurde z.B. für eine Reihe von Arzneimittelwechselwirkungen postuliert. Man geht dabei von der Vorstellung aus, dass es durch eine Erhöhung der freien Konzentration, die mit der Konzentration am Wirkort im Gleichgewicht steht, zu einer Wirkungsverstärkung kommt. Die Dinge sind aber komplizierter, wie das folgende Beispiel zeigt.
Durch Sulfonamide wird Bilirubin von den Bindungsstellen am Albumin verdrängt, die Konzentration des freien, ungebundenen Sulfonamide:HyperbilirubinämieBilirubins steigt an. Dieser Zustand tritt aber nur vorübergehend auf. Für Hyperbilirubinämie:sulfonamidbedingtedie meisten Pharmaka ist nämlich die Geschwindigkeit ihrer Elimination proportional zur freien Konzentration, da nur die nicht an Proteine gebundenen Moleküle in den Nieren filtriert bzw. in die Tubulus- und Leberzellen aufgenommen werden können. Nach dem Prinzip der Elimination 1. Ordnung ist eine Zunahme der freien Konzentration somit gleichbedeutend mit einer Zunahme der Eliminationsgeschwindigkeit. Es stellt sich daher wieder die ursprüngliche freie Konzentration ein, die durch das Verhältnis von pro Zeiteinheit zugeführter Menge und Clearance bestimmt wird. Da nun aber im Gegensatz zum Ausgangszustand weniger Bilirubin an das Albumin gebunden werden kann, ist die Gesamtkonzentration niedriger. Durch Verdrängung aus der Plasmaproteinbindung hat zwar der freie Anteil des Pharmakons im Plasma zugenommen, doch die freie Konzentration ist nach Einstellung des neuen Gleichgewichts unverändert. Der Nettoeffekt einer Abnahme der Plasmaproteinbindung ist also eine Abnahme der Gesamtkonzentration bei unveränderter freier Konzentration.
Man könnte einwenden, dass es durch die Erhöhung der freien Konzentration zumindest vorübergehend zu einer verstärkten Wirkung eines Pharmakons komme. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass die von den Plasmaproteinen freigesetzten Moleküle aus dem Plasma in den etwa fünfmal größeren Extrazellularraum gelangen können und unter Umständen zudem im Gewebe gebunden werden. Aufgrund dieser Umverteilungsvorgänge wird daher selbst bei schneller Freisetzung des Pharmakons aus der Plasmaproteinbindung der Anstieg der freien Konzentration nur gering sein. Hinzu kommt, dass Pharmaka üblicherweise nicht „im Schuss“ injiziert werden, sondern langsam anfluten. In diesem Fall werden die freigesetzten Moleküle so rasch umverteilt bzw. ausgeschieden, dass sich die freie Konzentration gar nicht ändert.
Beim Bilirubin können allerdings solche (vorübergehenden) Veränderungen tatsächlich klinisch relevant sein. Bilirubin kann bei Neu- und Frühgeborenen einen sog. Kernikterus verursachen, wenn es z.B. durch Sulfonamide aus der Plasmaproteinbindung verdrängt wird. Dieses Beispiel ist aber nicht für Arzneistoffe verallgemeinerbar. Bilirubin hat eine ungewöhnlich hohe KernikterusPlasmaproteinbindung, und die Fähigkeit zur „Entgiftung“ des (toxischen) freien Bilirubins durch Glucuronidierung ist bei Früh- und Neugeborenen gering (Kap. 1.5.4).
Tatsächlich gibt es keine Arzneimittelinteraktion, bei der es nachweislich allein durch Verdrängung aus der Plasmaproteinbindung zu einer klinisch relevanten Wirkungsverstärkung eines Arzneistoffs kommt. Bei genauerer Analyse der in diesem Zusammenhang angeführten Beispiele zeigt sich, dass hierbei zusätzlich die Elimination, d.h. die Clearance, eingeschränkt ist.
Klinische Relevanz können Änderungen der Plasmaproteinbindung allerdings gewinnen, wenn zur Therapiekontrolle Plasmakonzentrationen gemessen werden (Drug Monitoring). Üblicherweise misst man hierbei nur die Gesamtkonzentration. Wenn es bei einem solchen Pharmakon infolge einer verringerten Plasmaproteinbindung zur Abnahme der Plasmakonzentration kommt, wäre es falsch, die Dosis zu erhöhen, da sich die freie, wirksame Konzentration ja nicht geändert hat. Für die Interpretation von Messwerten der Plasmakonzentration eines Pharmakons, das an Plasmaproteine gebunden wird, ist das Ausmaß der Plasmaproteinbindung von Bedeutung.
Änderungen der Clearance
Die renale Clearance von Pharmaka kann durch Erkrankungen der NiereNieren:Clearance erheblich verändert werden. Prinzipiell lässt sich die Einschränkung Clearanrenaleder renalen Ausscheidung eines Pharmakons annähernd gut durch Bestimmung der glomerulären Filtrationsrate mittels der Niereninsuffizienz:ClearanceCreatinin-Clearance abschätzen. Man geht dabei davon aus, dass bei einer Reduktion der Anzahl funktionstüchtiger Glomeruli auch die tubulären Funktionen, wie die tubuläre Sekretion, entsprechend eingeschränkt sind. Da Kreatinin-Clearanceeine Bestimmung der Creatinin-Clearance recht aufwendig ist, kann man versuchen, sie anhand der Bestimmung des Plasma-Creatinins abzuschätzen. Allerdings ergeben sich dabei erhebliche Fehlermöglichkeiten, da das Plasma-Creatinin erst bei schon weitgehend eingeschränkter Nierenfunktion deutlich ansteigt („creatininblinder Bereich“; Abb. 1.62).
Zu berücksichtigen ist weiter, dass das Plasma-Creatinin auch von der Creatininproduktion abhängt. Wenn die Creatininproduktion („Creatinin-Erhaltungsdosis“) z.B. bei alten Menschen mit verringerter Muskelmasse oder bei bettlägerigen Patienten Plasma-Kreatinin:Clearanceabnimmt, können auch bei eingeschränkter Nierenfunktion „normale“ Plasma-Creatininwerte gemessen werden.
Auch die Biotransformation in der Leber kann durch Krankheitszustände und im höheren Lebensalter erheblich verändert sein. Während eine Einschränkung der Leber:ClearanceNierenfunktion durch Bestimmung der Creatinin-Clearance abgeschätzt Clearanhepatischewerden kann, gibt es keinen vergleichbaren Test für die Leberfunktion. Eine generelle Vorhersage des Einflusses von Lebererkrankungen auf die hepatische Elimination von Pharmaka ist nicht möglich.
Stereoselektive Pharmakokinetik
Lebererkrankungen:ClearanceStereoisomere von Pharmaka können sich pharmakodynamisch Pharmakokinetik:stereoselektivestark unterscheiden. Dasselbe gilt für die Pharmakokinetik, und zwar nicht nur für StereoisomereArzneimittel(therapie):StereoisomereDiastereomere (die verschiedene physikalisch-chemische Eigenschaften haben), sondern auch für Enantiomere (optische Antipoden, die weitgehend gleiche physikalisch-Diastereomerechemische Eigenschaften haben).
Enantiomere unterscheiden sich pharmakokinetisch immer dann, wenn ihr Reaktionspartner im Körper chiral ist und die EnantiomereEnantiomere mit unterschiedlicher Affinität bindet. Das ist bei der Resorption eher selten. Jedoch werden z.B. L-Dopa und L-Methotrexat besser resorbiert als ihre D-Enantiomere, weil die Carrier-Moleküle in der Darmschleimhaut vorwiegend die L-Form transportieren.
Eine stereoselektive Biotransformation kann zu einer stereoselektiven Clearance und bei Pharmaka mit hohem First-Pass-Effekt zu einer stereoselektiven Bioverfügbarkeit führen.
Hierzu ein Beispiel: Beim Verapamil blockiert die R-Form Calciumkanäle wesentlich schwächer als die S-Form. Auch pharmakokinetisch unterscheiden sich die beiden Enantiomere. Die R-Form hat eine geringere Clearance und eine höhere Verapamil:EnantiomereBioverfügbarkeit als die S-Form. Daher erreicht das R-Enantiomer nach intravenöser Gabe des in der Praxis verwendeten Razemats eine rund 2-fach höhere Konzentration im Plasma als das wirksamere S-Enantiomer; nach oraler Gabe des Razemats erreicht das R-Enantiomer sogar eine 5-fach höhere Konzentration im Plasma als das wirksamere S-Enantiomer. Für gleiche Wirkung muss man deshalb bei oraler Gabe des Racemats eine insgesamt (R + S) höhere Plasmakonzentration erzielen als bei intravenöser Gabe! Wie dieses Beispiel zeigt, kann die Angabe „therapeutischer“ Plasmakonzentrationen bei Verwendung von Razematen problematisch sein.
Individuelle Dosierung von Arzneistoffen
RazemateMithilfe pharmakokinetischer Kenntnisse und Daten sollte es im Prinzip möglich sein, für einen Patienten eine Dosierung:individuelleindividuelle und damit die „richtige“ Dosierung eines Arzneimittel(therapie):DosierungArzneistoffs auszuwählen. Doch die individuellen pharmakokinetischen Parameter eines einzelnen Patienten kennt man nur in den seltensten Fällen, sodass man bei der Dosisfindung auf Literaturwerte angewiesen ist. Dabei können sich erhebliche Abweichungen zwischen den gewünschten und den tatsächlich im Organismus erzielten Konzentrationen ergeben. Das ist dadurch bedingt, dass pharmakokinetische Parameter erheblichen interindividuellen Schwankungen unterworfen sind, die sich nur zum Teil durch Einflussfaktoren wie Lebensalter, Krankheiten oder Wechselwirkungen zwischen Arzneimitteln erklären lassen.
Die interindividuellen Unterschiede von pharmakokinetischen Parametern sind vor allem für Pharmaka mit einer geringen therapeutischen Breite von Bedeutung. Hierzu zählen beispielsweise Aminoglykosidantibiotika, Herzglykoside, orale Antikoagulantien, Antidiabetika, viele Antiarrhythmika und Antiepileptika, Theophyllin oder Lithium.
Eine Möglichkeit zur individuellen Anpassung der Dosis eines Pharmakons ergibt sich durch Messung der Plasmakonzentrationen. Dies ist allerdings nur sinnvoll, wenn ein definierter Bereich wirksamer Plasmakonzentrationen existiert. Wenn der Effekt auf einfache Weise direkt gemessen werden kann (Antihypertensiva, Antidiabetika, Antikoagulantien), sind Konzentrationsmessungen in Plasmakonzentrationsmessung:Dosisfindung/Therapiekontrolleder Regel entbehrlich.
Im Prinzip geht man dabei so vor, dass dem betreffenden Patienten zunächst eine Dosis verabreicht wird. Anschließend führt man eine oder mehrere Bestimmungen der Plasmakonzentration durch. Durch Vergleich des gemessenen Wertes mit dem Wert, der theoretisch zu erwarten wäre, wenn bei dem Patienten „normale“ pharmakokinetische Verhältnisse vorlägen, lässt sich dann eine individuellere Dosis für den Patienten ermitteln. Gegenüber einer schematischen, starren Dosierung können mit diesem Vorgehen relativ zuverlässig Konzentrationen im gewünschten therapeutischen Bereich erzielt werden.
Messungen der Plasmakonzentrationen werden nicht nur zur individuellen Dosisfindung eingesetzt, sondern auch zur Therapiekontrolle (Drug Monitoring) und gelegentlich zur Kontrolle der Zuverlässigkeit des Patienten hinsichtlich der Einnahme von Pharmaka („Compliance“). Beispiele von Pharmaka, bei denen eine Überwachung der Drug Monitoring:PlasmakonzentrationenTherapie mit Konzentrationsmessungen sinnvoll sein kann, sind in Tabelle 1.17 zusammengestellt.

Besondere Patientengruppen: Kinder, alte Menschen und Schwangere

Pharmakokinetik bei Kindern
Es ist schon lange bekannt, dass Kinder von vielen Pharmakokinetik:bei KindernArzneistoffen eine höhere Dosis pro kg Körpergewicht benötigen als Arzneimittel(therapie):bei KindernErwachsene und dass die Kinderdosis besser mit der Körperoberfläche als mit dem Körpergewicht korreliert. Kinder:PharmakokinetikZur Erklärung dieser „Oberflächenregel“ wird oft angeführt, dass sich viele Pharmaka im Extrazellularraum verteilen, dessen Größe besser mit der Dosierung:bei KindernKörperoberfläche als mit dem Körpergewicht korreliert. Diese Erklärung könnte aber – wenn überhaupt – nur für die Sättigungsdosis zutreffen, die ja vom Verteilungsvolumen bestimmt wird. Dass Körperoberfläche:Dosierung bei KindernKinder für viele Pharmaka eine höhere Erhaltungsdosis pro kg Körpergewicht benötigen als Erwachsene, hat einen anderen Grund: Kinder haben, bezogen auf das Körpergewicht, oft eine größere Fremdstoffclearance als Erwachsene (Abb. 1.63), und die Clearance korreliert besser mit der Körperoberfläche als mit dem Körpergewicht.
Kinder:ClearanceClearanbei KindernDies gilt aber nicht für Früh- und Neugeborene. Die die Frühgeborene:ClearanceArzneistoffclearance bestimmenden Stoffwechselwege der Leber und Neugeborene:Clearancedie exkretorischen Funktionen der Niere sind bei der Geburt Clearanbei Früh-/Neugeborenennoch nicht voll ausgebildet. Dabei bestehen zwischen den einzelnen Eliminationswegen erhebliche Unterschiede sowohl in der Aktivität bei der Geburt wie hinsichtlich der Dauer bis zur vollen Ausreifung (Abb. 1.64).
So beträgt die glomeruläre Filtrationsrate (in ml/min pro kg Körpergewicht) bei der Geburt rund ein Drittel des Erwachsenenwertes und erreicht diesen nach etwa einem Monat. Dagegen dauert die Ausreifung der tubulären glomeruläre Filtrationsrate (GFR):NeugeboreneSekretion mehrere Monate und ist erst nach rund einem Jahr voll abgeschlossen.
Noch komplexer sind die Vorgänge bei der Reifung der Phase-I- und Phase-II-Reaktionen des Arzneistoffmetabolismus. Das fetale CYP 3A7 hat eine ähnliche, aber nicht identische Substratspezifität wie das CYP 3A4 und wird durch dieses nach der Geburt relativ rasch ersetzt. Nach einem Monat beträgt dessen Aktivität etwa 40% der des CYP 3A7:fetaleErwachsenen. Dagegen ist zu diesem Zeitpunkt die Aktivität des CYP 1A2 nur etwa 5%. Erhebliche Unterschiede bestehen auch bei den Konjugationsreaktionen. Während die fetale Leber bereits eine beträchtliche Aktivität an Sulfotransferasen aufweist, ist die Fähigkeit CYP 1A2:bei Neugeborenenzur Glucuronidierung beim Neugeborenen nur gering (vgl. Kap. 34.9 „Grey-Syndrom“). Die Dauer bis zur vollen Ausreifung ist bei den Isoformen der UGTs unterschiedlich, sie beträgt 6 bis 30 Monate. Diese Beispiele, die Glucuronidierung:bei Neugeborenensich mühelos vermehren ließen, zeigen, dass es praktisch unmöglich ist, generalisierende Empfehlungen zur Arzneistoffdosierung bei Neugeborenen und kleinen Kindern zu geben.
Pharmakokinetik beim alten Menschen
Mit zunehmendem Lebensalter kommt es im Organismus zu einer Arzneimittel(therapie):im AlterVielzahl von Veränderungen, die die Wirksamkeit von Pharmaka beeinflussen Pharmakokinetik:im Alterkönnen. Beispielsweise findet man beim alten Menschen eine Alter:Pharmakokinetikerhöhte Empfindlichkeit gegenüber oralen Antikoagulantien und vielen ZNS-wirksamen Arzneistoffen; auch Änderungen der Wirkungsqualität werden beobachtet (z.B. paradoxe Erregung nach Gabe von Sedativa). Neben solchen Veränderungen der Pharmakodynamik kann es durch die physiologischen Involutionsprozesse auch zu teilweise erheblichen Änderungen der Pharmakokinetik kommen. Eine „erhöhte Empfindlichkeit“ des alten Menschen gegenüber Pharmaka ist oft Ausdruck einer Überdosierung in Unkenntnis dieser pharmakokinetischen Veränderungen. Tabelle 1.18 gibt eine Übersicht über altersbedingte Änderungen der Pharmakokinetik.
Enterale Resorption und Bioverfügbarkeit
Aufgrund der altersbedingten Veränderungen im Gastrointestinaltrakt könnte man erwarten, dass die Resorption von Pharmaka beim alten Menschen generell beeinträchtigt ist. Ein verringertes Ausmaß der Resorption:im AlterResorption wurde bei Substanzen beobachtet, an deren Resorption spezielle (aktive) Transportmechanismen beteiligt sind (Glucose, Folsäure). Unter Umständen kann eine verminderte Säureproduktion des Magens die Resorption durch Verringerung der Löslichkeit beeinträchtigen (Calcium-, Eisensalze).
Bei den meisten Pharmaka kann man aber davon ausgehen, dass ihre Resorption beim alten Menschen wenig verändert ist. Soweit hierzu Messungen vorliegen, hat sich gezeigt, dass das Ausmaß der Resorption von Pharmaka, die durch Diffusion das Darmepithel passieren, weitgehend dem bei jungen Probanden entspricht. Dagegen kann die Geschwindigkeit der Resorption beim alten Menschen infolge einer verminderten vaskulären Perfusion abnehmen.
Anders steht es mit der Bioverfügbarkeit von Pharmaka mit hohem hepatischem First-Pass-Effekt. Entsprechend den Ausführungen oben (Abb. 1.54) ist bei solchen Substanzen damit zu rechnen, dass ihre Bioverfügbarkeit:im AlterBioverfügbarkeit im Alter erheblich zunehmen kann. Einige Beispiele sind in Tabelle 1.19 zusammengestellt.
Verteilungsvolumen
Die altersbedingten Änderungen der Körperzusammensetzung (Tab. 1.18) können das Verteilungsvolumen von Pharmaka beeinflussen. Besonders ausgeprägt ist die relative Zunahme des Fettgewebeanteils am Körpergewicht. In einer einschlägigen Untersuchung ergab sich z.B. beim Verteilungsvolumen:VeränderungenMann im Durchschnitt eine Zunahme des Fettgewebes von ca. 18 auf 36% des Körpergewichts (+100%), bei der Frau von 33 auf 48% (+45%). Dies erklärt die für einige lipophile Pharmaka gefundene Zunahme des Verteilungsvolumens im Alter (z.B. Diazepam, Nitrazepam, Pethidin, Thiopental). Allerdings muss man sich vor Verallgemeinerungen hüten. Gerade einige sehr lipophile Pharmaka, wie z.B. Phenothiazine, trizyklische Antidepressiva oder Verapamil, reichern sich sehr viel stärker in den übrigen Geweben des Körpers an als im Fettgewebe und haben dadurch ein hohes Verteilungsvolumen. Bei diesen Substanzen ist ein Teil des Moleküls sehr lipophil und der andere bei physiologischen pH-Werten hydrophil, weil er eine positive Ladung trägt (sog. amphiphile Substanzen). Wahrscheinlich werden sie in großem Ausmaß an Phospholipide der Zellmembranen gebunden. Bei diesen Pharmaka wird das Verteilungsvolumen durch eine altersbedingte Zunahme des Fettgewebes nicht oder nur unwesentlich verändert. Praktisch ist die Kenntnis etwaiger altersbedingter Änderungen des Verteilungsvolumens vor allem wichtig zur Beurteilung einer veränderten Halbwertszeit (vgl. Kap. 1.5.3).
Plasmaproteinbindung
Der Albumingehalt des Blutplasmas nimmt im Alter um rund 20% ab. Veränderungen dieses Ausmaßes sind aber nicht von praktischer Bedeutung; sie können allenfalls beim Drug Plasmaproteinbindung:VeränderungenMonitoring für die Beurteilung der Plasmakonzentration eine Rolle spielen (Kap. 1.5.3).
Renale Clearance
Praktisch wichtig sind dagegen Änderungen der renalen Clearance im Alter (Tab. 1.18). Es kommt – auch ohne manifeste Erkrankung der Niere – bei älteren Patienten zu einer EinschränkungClearanrenale der Nierenfunktion (Abb. 1.65) und damit der renalen Ausscheidung von Pharmaka.
Als Faustregel kann man davon ausgehen, dass die renale Clearance jenseits des 65. Lebensjahrs um 30–50% geringer ist als bei jungen Menschen. Für Pharmaka, die eine geringe therapeutische Breite haben und überwiegend renal ausgeschieden werden, sollte daher die Erhaltungsdosis beim alten Menschen niedriger gewählt werden.
Metabolische Clearance
Auch die Biotransformation von Pharmaka kann beim alten Menschen verändert sein. Die meisten hierzu Clearanmetabolischevorliegenden Befunde beziehen sich auf die Altersabhängigkeit der hepatischen Clearance. Biotransformation:VeränderungenOffensichtlich lassen sich generelle Aussagen über den Einfluss des Lebensalters nicht machen. Die Metabolisierung kann unverändert sein, kann abnehmen, gelegentlich sogar zunehmen. So kann man beim gegenwärtigen Kenntnisstand nicht vorhersagen, ob und inwieweit die Metabolismus/Metabolisierung:Veränderungenmetabolische Clearance eines bestimmten Pharmakons beim alten Patienten verändert ist. Im Gegensatz zur altersbedingten Einschränkung der Nierenfunktion, wo eine Dosisanpassung zumindest im Prinzip anhand der Creatinin-Clearance vorgenommen werden kann, ist man bei der Wahl der „richtigen“ Dosis für alte Patienten auf Empirie angewiesen.
Pharmakokinetik in der Schwangerschaft
Während der Schwangerschaft kommt es zu Pharmakokinetik:Schwangerschafteiner Reihe von Veränderungen, die die Verteilung von Pharmaka beeinflussen können. In der Schwangerschaft:PharmakokinetikFrühschwangerschaft steigt das Plasmavolumen. Später sind generalisierte Arzneimittel(therapie):SchwangerschaftÖdeme fast die Regel. Dadurch kann der Extrazellularraum um 5–10 L zunehmen. Außerdem nimmt in der Schwangerschaft das Fettgewebe der Mutter in der Regel um 4–8 kg zu. Dieser Anstieg verschwindet erst etwa 6 Monate nach der Geburt wieder. Zu den Verteilungsräumen der Mutter kommen schließlich durch Plazenta und Fetus neue Kompartimente hinzu.
Durch die Abnahme der Albuminkonzentration kann die Plasmaproteinbindung von Pharmaka abnehmen. Dies ist beim Drug Monitoring zu beachten (Kap. 1.5.3). Die Konzentration des sauren α1-Glykoproteins bei der Mutter verändert sich in der Schwangerschaft nicht. Im fetalen Blut ist sie aber wesentlich niedriger. Dadurch können sich ungleiche Verteilungen von basischen Pharmaka auf das mütterliche und fetale Blut ergeben.
Während der Schwangerschaft können Pharmaka zusätzlich in der Plazenta und der fetalen Leber metabolisiert werden. In der Plazenta finden sich Enzymsysteme für Oxidation, Reduktion, Hydrolyse und Konjugation. Der enzymatische Abbau von Pharmaka beim Ungeborenen beginnt in der 6. bis 8. Schwangerschaftswoche.
Möglicherweise sind diese Veränderungen mit ein Grund für die Zunahme der Arzneimittelclearance, die bei einer Reihe von Pharmaka beobachtet wurde. Daher kann bei Pharmaka wie Phenytoin oder Theophyllin, bei denen ein enger Bereich für therapeutisch wirksame Konzentrationen eingehalten werden muss, eine Dosiserhöhung nötig sein. Eine Anpassung der Dosis sollte nach Möglichkeit anhand von Plasmakonzentrationsmessungen erfolgen.

Arzneiformen

R. Schubert
Die pharmazeutische Technologie (Arzneiformenlehre, Galenik) hat die Aufgabe, Arzneistoffe in das jeweils bestmögliche Arzneimittel zu überführen. Dies soll Arzneiformengewährleisten, dass der Arzneistoff in der gewünschten GalenikDosis und Wirkdauer an den Wirkort gelangt und die Art der Anwendung für den Patienten zumutbar ist.

Arbeitsgebiete der pharmazeutischen Technologie

Die wichtigsten Aspekte zur Konzipierung und Herstellung von Arzneimitteln sind in Abbildung 1.66 zusammengefasst.
Zunächst müssen die Eigenschaften der pharmazeutische TechnologieArzneistoffe selbst bekannt sein. Löslichkeit, Ladung, Lipophilie und molare Masse spielen für das Schicksal der Stoffe im Körper eine entscheidende Rolle. Eine große Zahl von Arzneistoffe:EigenschaftenHilfsstoffen, die toxikologisch getestet sind, ermöglichen eine optimale Herstellung, Lagerung, Anwendung und Verträglichkeit der Arzneimittel. Galenos von Pergamon, der um 100 n. Chr. lebte und nach dem die Hilfsstoffepharmazeutische Disziplin der Galenik benannt ist, war der erste Heilkundige, der die Bedeutung von Arzneimitteln erkannte, die aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt sind. Solche Mischungen von Arzneistoffen und Hilfsstoffen werden als disperse Systeme bezeichnet und in flüssige, halbfeste oder feste Formen eingeteilt. Neben der sorgfältigen Auswahl ihrer Komponenten spielt zusätzlich das gewählte Herstellungsverfahren eine entscheidende Rolle für die disperse SystemeTauglichkeit des Arzneimittels.
Die ausreichende Stabilität und lange Lagerfähigkeit von Fertigarzneimitteln ist ebenfalls von großer Bedeutung. Dazu wird versucht, chemische Reaktionen im Arzneimittel gering zu halten, die physikalische Struktur der Zubereitung zu stabilisieren und Fertigarzneimittel:Stabilität/Lagerfähigkeitdie Kontamination durch Mikroorganismen auszuschalten.

Biopharmazie

Ein wesentlicher Zweig der pharmazeutischen Technologie ist die Biopharmazie. Sie hat als Ziel, das Schicksal des Arzneistoffs im Körper durch die entsprechende Arzneiform in gewünschter Weise zu beeinflussen. Von allen Bereichen der pharmazeutischen Technologie steht die BiopharmazieBiopharmazie der Pharmakologie am nächsten und ist deshalb Hauptgegenstand dieses Abrisses.
Früher musste sich die Galenik auf die Steuerung der Liberation, d.h. der Arzneistofffreisetzung aus der Arzneiform, beschränken. Die moderne pharmazeutische Technologie ist aber auch in der Lage, die Liberation:GalenikAbsorption der Wirkstoffe in den Organismus zu beeinflussen, was hauptsächlich dadurch erfolgen kann, dass die möglichen „Eintrittspforten“ in den Körper, z.B. über Dünndarm, Haut oder Lunge, Absorption von Pharmaka:Galenikbesser genutzt werden. Dadurch kann die Bioverfügbarkeit (Kap. 1.5.1) wesentlich verbessert werden. Die Beeinflussung der Distribution, d.h. der Verteilung im Organismus, ist eine neue große Herausforderung. Durch eine Steuerung (Targeting) des Distribution von Pharmaka:BeeinflussungWirkstoffs an das Zielorgan oder an einen Tumor sollen bei verbesserter Wirkung die Nebenwirkungen vermindert werden.
Beeinflussung der Liberation
Targeting:GalenikDie Freisetzung des Arzneistoffs aus der Arzneiform bestimmt entscheidend alle weiteren Schritte der Liberation:GalenikPharmakokinetik. Die Geschwindigkeit der Freisetzung wird erheblich Arzneimittel(therapie):Freisetzungdurch die Struktur (amorph oder kristallin), die Größe (und damit die Oberfläche) der Feststoffpartikel, ihre Benetzbarkeit und Löslichkeit beeinflusst. Eine schnelle Freisetzung ist jedoch nicht immer vorteilhaft. Durch geeignete Maßnahmen und Hilfsstoffe kann auch gezielt eine modifizierte Freisetzung der Arzneistoffe erreicht werden. Das Freisetzungsprofil wird für alle Arzneimittel ausführlich in standardisierten In-vitro-Modellen getestet und optimiert.
Erhöhung der Löslichkeit
Hoch aktive Arzneistoffe sind oft lipophil und schwer löslich. Sie werden aber in ungelöster Form nicht Löslichkeitsverbesserungabsorbiert. Zur Verbesserung der Löslichkeit stehen verschiedene Arzneimittel(therapie):LöslichkeitsverbesserungHilfsstoffe und Maßnahmen zur Verfügung, die in Tabelle 1.20 zusammengefasst sind.
Nanokristalle (Nanosuspensionen) haben Teilchengrößen unter 1 μm. Sie bestehen aus einem Arzneistoffkern, der mit Tensiden umhüllt ist. Diese Arzneiform ist dann sinnvoll, wenn der Arzneistoff hoch dosiert werden muss und Nanokristalle/-suspensionenseine Wasser- und Öllöslichkeit gering sind. Die geringe Teilchengröße führt zu einer erhöhten Auflösungsgeschwindigkeit des Arzneistoffs und zu erhöhter Konzentration durch Übersättigung der Lösung.
Eine besondere Form von Komplexen sind die Einschlussverbindungen, wozu sich insbesondere die Cyclodextrine (CD) als Lösungsvermittler für lipophile Arzneistoffe eignen. Diese Einschlussverbindungenringförmigen Verbindungen mit 6, 7 oder 8 Glucoseeinheiten werden als α-, β- bzw. γ-Cyclodextrin bezeichnet. Cyclodextrine (CD):EinschlussverbindungenSie sind hydrophil, besitzen aber einen lipophilen Hohlraum für Gastmoleküle. Die Arzneistoffe werden im Körper durch Moleküle mit höherer Bindungsstärke aus den Hohlräumen verdrängt und dadurch freigesetzt. Für die parenterale Anwendung darf β-CD nicht verwendet werden, da es mit Cholesterol aus Zellmembranen und Lipoproteinen einen besonders stabilen und schwer löslichen Komplex bildet. Dieser Komplex wird aus dem Primärharn von den Nierentubuluszellen aufgenommen, und intrazellulär abgelagerte nadelförmige Cholesterolkristalle verursachen schwere Nierenschäden. α- und γ-Cyclodextrin sowie verschiedene hydrophile Cyclodextrin-Derivate zeigen diese Probleme nicht, da sie Cholesterol wesentlich schwächer binden.
Modifizierte Freisetzung
Eine verzögerte Freisetzung ist z.B. dann erforderlich, wenn Arzneistoffe nach peroraler Verabreichung nicht im Liberation:GalenikMagen, sondern erst im Dünndarm freigesetzt werden sollen.
Arzneimittel(therapie):FreisetzungBei Arzneiformen mit verlängerter Freisetzung des Arzneistoffs wird meist unterschieden zwischen Retardpräparaten zur peroralen und Depotpräparaten zur parenteralen Anwendung. Mehrmalige perorale Einnahme von Einzeldosen verursacht bei Arzneistoffen mit kurzer Eliminationshalbwertszeit starke Schwankungen des Plasmaspiegels und dies umso mehr, je unregelmäßiger die Medikamente eingenommen werden. Retardpräparate gewährleisten über längere Zeit eine relativ gleichmäßige Freisetzung und eine daraus folgende ausreichend konstante Plasmakonzentration (Abb. 1.67).
Die verminderte RetardpräparateEinnahmehäufigkeit verbessert überdies die Compliance, d.h. das Befolgen der vorschriftsmäßigen Einnahme durch die Patienten.
Zur Retardierung von Arzneistoffen aus Tabletten, Granulaten, Pellets und Kapseln werden häufig Überzüge mit filmbildenden Materialien verwendet, wie unlösliche Zellulosederivate, Arzneimittel(therapie):RetardierungAcrylharze mit steuerbarer Quellfähigkeit oder Schellack. Langsame Freisetzung kann auch durch Einarbeitung der Arzneistoffe in schwer- oder unlösliche Matrices erfolgen. Dazu werden Tablettenfüllstoffe aus anorganischen Salzen (z.B. Calciumsulfat) oder Kunststoffe (z.B. Polyethylen) verwendet. Ionenaustauscherharze können zur verlängerten Freisetzung von ionischen Wirkstoffen auch suspendiert in flüssiger Form eingesetzt werden.
Arzneistoffdepots werden in der Regel subkutan oder intramuskulär durch Injektion oder durch einen kleinen chirurgischen Arzneimittel(therapie):DepotformEingriff appliziert. Die Freisetzung erfolgt über eine Zeit von wenigen Depot-ArzneiformenStunden bis zu mehreren Jahren. Als einfache Arzneiform kann eine Suspension von Wirkstoffkristallen in Puffer oder in Öl injiziert werden. Zur gesteuerten Abgabe von Hormonen in einem Zeitraum von 1 Monat werden biokompatible und bioabbaubare Kunststoffe wie Poly(lactid/glykolid) Suspension:Wirkstoffkristalleverwendet, die mit dem Arzneistoff meist zu Mikropartikeln (Größe < 1 mm) verarbeitet werden. Nach Injektion erfolgen die Freisetzung und Diffusion durch Bioerosion, d.h. durch langsame MikropartikelHydrolyse des Polymers zu Milchsäure und Glykolsäure. Für Implantate, z.B. zur Kontrazeption, können als Bioerosion:MikropartikelFreigabeeinheiten biokompatible, aber nicht abbaubare Kunststoffe verwendet werden, die nach Ablauf der ImplantateAnwendung wieder aus dem Gewebe entnommen werden müssen.
Spezielle Arzneiformen mit verlängerter Wirkstofffreisetzung sind die therapeutischen Kunststoffe:biokompatibleSysteme. Sie sind für eine besonders gleichmäßige oder kontrollierte Freisetzung konzipiert.
Ein therapeutisches System für die perorale Anwendung besteht aus einem Kern von Arzneistoff und Salzen, therapeutische Systemeumhüllt mit einer semipermeablen Membran. Im Magen-Darm-Trakt dringt Wasser durch diese Membran ins Innere und löst teilweise die enthaltenen Stoffe. Die gesättigte Lösung der Stoffe erzeugt einen konstanten osmotischen Druck, der die Lösung gleichmäßig durch ein kleines Loch in der Tablette austreibt. Dieses Prinzip bezeichnet man als OROS (orales osmotisches System).
Transdermale therapeutische orales osmotisches System (OROS)Systeme (TTS)OROS (orales osmotisches System) sind wirkstoffhaltige TTS (transdermale therapeutische Systeme)Pflaster. Der Wirkstoff liegt meist suspendiert oder an feste Hilfsstoffe adsorbiert vor. transdermale therapeutische Systeme (TTS)Für die gleichmäßige Freisetzung haben sich zwei Prinzipien durchgesetzt. Bei Pflaster:wirkstoffhaltigeMembranpflastern diffundiert der Wirkstoff mit konstanter Geschwindigkeit aus der Suspension über eine Polymermembran, bei Matrixpflastern aus einem Polymergel Membranpflasterin die obersten Hautschichten (Kap. 1.4.2).
Intrauterinpessare werden in den Gebärmutterhals als therapeutische MatrixpflasterSysteme zur gesteuerten Freigabe von Hormonen (Progesteron) in die Uterusschleimhaut eingesetzt. Sie können durch angebrachte Fäden leicht aus dem IntrauterinpessareUterus entfernt werden.
Die genaueste Dosierung von Arzneistoffen zur Erreichung einer gewünschten Plasmakonzentration ist mit Pumpen möglich, die z.B. Insulin schnell und unmittelbar ins Blut abgeben. Ihr Einsatz ist vor allem dann sinnvoll, wenn direkt auf die aktuelle Glucosekonzentration Pumpenim Plasma reagiert werden muss.
Beeinflussung der Absorption über den Applikationsweg
Insulin:PumpenDie Absorption von Wirkstoffen ist entscheidend für ihre Bioverfügbarkeit (Kap. 1.5.1). Bei der Auswahl der Applikationsroute sollte zusätzlich bekannt sein, inwieweit der Wirkstoff vor Erreichen des großen Blutkreislaufs bereits metabolisiert wird (First-Pass-Effekt), z.B. durch Leber, Darmmucosa oder Haut. Dieser Effekt kann durch alternative Applikationsrouten umgangen werden. Weitere Kriterien für die Wahl eines bestimmten Applikationsweges sind First-Pass-Effekt:Umgehungbekannte Transportmechanismen in den Organismus, die Höhe der zu applizierenden Dosis und nicht zuletzt die Anwendungsfreundlichkeit der entsprechenden Arzneiform.
Arzneimittel zur parenteralen Anwendung
ParenteraliaArzneimittel(therapie):Applikation (Kap. 1.4.2) gewährleisten im Allgemeinen die höchste parenterale ApplikationBioverfügbarkeit für den Arzneistoff. Da sie direkt in Gefäße oder Applikation:parenteraleGewebe injiziert, infundiert oder implantiert werden, sind besondere ParenteraliaSicherheitsanforderungen zu beachten. In erster Linie ist ihre Sterilität zu gewährleisten, weiterhin die Abwesenheit von Pyrogenen (Fieber erzeugenden Stoffen), die bis zum anaphylaktischen Schock führen können. Bei Volumina über 15 ml dürfen keine Konservierungsmittel zugesetzt werden, da diese in größeren Mengen toxisch sind. Bei PyrogeneInjektionen und Infusionen in Blutgefäße sollten möglichst keine Partikel > 1 μm enthalten sein, um eine Blockade von Kapillaren zu vermeiden. Die Lösungen sollten so weit wie möglich isoton sein, d.h. den gleichen osmotischen Druck wie das Plasma besitzen, um ein Platzen oder Schrumpfen von Zellen zu vermeiden. Auch sollte der pH-Wert möglichst isohydrisch sein, d.h. dem physiologischen Wert von etwa 7,3–7,4 entsprechen.
Arzneimittel zur Anwendung am Auge
Zu den Augenarzneien (Ophthalmika; Kap. 1.4.2) gehören Arzneimittel(therapie):ApplikationAugentropfen, Augenbäder, Augeninserte (Augenarzneienfeste Formen) und halbfeste Arzneiformen. Sie werden an den Augapfel oder in den OphthalmikaBindehautsack für eine lokale Therapie appliziert. Wirkstoffe können in das Augeninnere Augentropfenpenetrieren, wenn sie eine mittlere Lipophilie, d.h. einen Verteilungskoeffizienten (Kap. 1.4.1) von etwa 10 bis 100, besitzen. Auch Ophthalmika müssen steril sein, da die Abwehrmechanismen gegen Keime am erkrankten Auge geschwächt sein können. Mehrfachdosisbehältnisse müssen deshalb Konservierungsmittel oder besondere Vorrichtungen enthalten, um nach Öffnung eine Kontamination mit Keimen zu vermeiden. Um das Auge möglichst wenig zu reizen, gibt es wie bei den Parenteralia zusätzliche genaue Anforderungen an die Höchstmenge an enthaltenen größeren Partikeln (< 50 μm), an Tonizität und pH.
Arzneimittel zur oralen Anwendung
Bei der Anwendung über den Mund kann der Wirkstoff bereits in der MundhöhleArzneimittel(therapie):Applikation absorbiert werden (Kap. 1.4.2). Über eine Applikation:oraleResorptionsfläche von etwa 200 cm2 werden niedermolekulare lipophile und niedrig dosierte Stoffe unter Vermeidung eines First-Pass-Effekts direkt Mundhöhle:Absorptionin den großen Kreislauf aufgenommen. Geeignete Arzneiformen sind Bukkal- oder Sublingualtabletten, Haftcremes, Kaugummis, Pastillen oder auch „Schmelztabletten“. Letztere zerfallen bereits mit wenig Speichel sehr schnell und der Wirkstoff wird teils über die Mundschleimhaut, teils über den Magen-Darm-Trakt absorbiert.
Am häufigsten werden Arzneistoffe peroral über den Magen-Darm-Trakt verabreicht und absorbiert (Kap. 1.4.2). Hier bieten die flüssigen Arzneiformen wie Säfte oder die Arzneimittel(therapie):Applikationfesten Arzneiformen wie Tabletten, Granulate und Gelatinekapseln die besten Möglichkeiten zu einer raschen oder modifizierten Freisetzung des Arzneistoffs.
Tabletten werden durch Verpressung von Pulvern und Granulaten unter hohem Druck hergestellt. Sie enthalten neben dem Wirkstoff verschiedene Hilfsstoffe wie Füllstoffe (zur Verbesserung des Zusammenhalts der Tablette), TablettenSchmiermittel (zur Verringerung der Reibung in der Tablettenpresse), Sprengmittel und Brausemischungen (für Quellung bzw. schnellen Zerfall in Flüssigkeit). Zur modifizierten Freisetzung und zur Abdeckung unangenehmen Geschmacks werden Tabletten mit dafür geeigneten Polymerfilmen überzogen. Solche Filmtabletten haben die früher gebräuchlichen Dragees (Tabletten mit Zuckerüberzügen) fast völlig abgelöst.
Auch FilmtablettenGranulate, d.h. aus Pulverteilchen zusammengesetzte größere Partikel, können mit Filmen überzogen Drageeswerden. Eine besondere Form von Granulaten sind die Pellets, Granulateabgerundete Granulatteilchen mit einer Größe unter 2 mm. Sie passieren, im Gegensatz zu noch nicht gelösten Tabletten, nahezu ungehindert den Pylorus, unabhängig vom Füllungsgrad des Magens.
PelletsHartgelatinekapseln (Steckkapseln) werden großtechnisch hergestellt und in einem späteren Arbeitsgang mit Pulvern, Granulaten oder kleinen Tabletten befüllt. Sie sind Hartgelatinekapselnangenehm einzunehmen und einfache Dosiereinheiten, vor allem für SteckkapselnArzneistoffe, die nicht gut tablettierbar sind. Weichgelatinekapseln enthalten nichtwässrige Flüssigkeiten wie Öle oder Polyethylenglykol oder darin gelöste oder suspendierte Wirkstoffe. Sie werden in einem Arbeitsgang geformt und befüllt.
WeichgelatinekapselnDie meisten peroral verabreichten flüssigen Arzneimittel enthalten Auszüge aus pflanzlichen Drogen, die mittels Wasser Arzneimittel(therapie):flüssigeoder Ethanol-Wasser-Mischungen gewonnen wurden. Bei Suspensionen muss dafür gesorgt werden, dass die festen Teilchen, die bei Flüssigkeiten (Arzneimittel)längerer Lagerung agglomerieren, durch Schütteln wieder voneinander trennbar sind, sonst sind die Auflösungsgeschwindigkeit und Wirkstofffreisetzung verlangsamt.
Der Magen ist für die meisten Wirkstoffe ein schlechtes Absorptionsorgan. Seine Schleimhaut besitzt etwa eine Fläche von 1.000–2.000 cm2. Die Aufenthaltsdauer von Arzneiformen im Magen beträgt normalerweise Magen:Absorptionbis zu 2 Stunden. In dieser Zeit können manche Arzneistoffe durch Hydrolyse im stark sauren Milieu (pH etwa 1–3) zersetzt werden oder die Magenschleimhaut kann durch aggressive Wirkstoffe, z.B. ätherische Öle, gereizt werden. Um das zu vermeiden, können feste Arzneiformen wie Granulate, Pellets, Tabletten oder Kapseln mit magensaftresistenten, aber dünndarmlöslichen Filmen überzogen werden. Solche Filme enthalten Polymere, die bei saurem pH unlöslich und bei neutralem pH löslich sind.
Der Dünndarm mit seinen verschiedenen Abschnitten hat eine Gesamtlänge von etwa 1,5 m. Wegen zahlreicher Zotten und Mikrovilli ist seine DünndarmAbsorptionsfläche auf etwa 200 m2 (Abb. 1.25) Dünndarm:Absorptionvergrößert. Die Verweildauer beträgt hier normalerweise zwischen 3 und 5 Stunden. Nur relativ wenige Wirkstoffe werden über erleichterte Diffusion oder aktiven Transport mittels spezifischer Carriersysteme durch die Mucosa aufgenommen (Kap. 1.4.1). Die Mehrzahl, etwa 90% aller Wirkstoffe, wird über passive Diffusion durch die Zellmembranen der Darmmucosa absorbiert. Dazu müssen die Wirkstoffe eine niedrige Molmasse unter etwa 300 besitzen und einigermaßen lipophil sein. Die Gallenblase gibt Gallensalze ins Duodenum ab. Diese hoch effizienten Tenside beeinflussen die Zusammensetzung grobdisperser Arzneimittelsysteme wie Suspensionen oder Emulsionen und die Absorption der Arzneistoffe auf ihrem weiteren Weg im Jenunum und Ileum. Der Einfluss der Arzneiform auf die Absorption im Magen-Darm-Trakt ist weitgehend auf eine ausreichend schnelle oder modifizierte Freisetzung beschränkt. Hydrophile und/oder höhermolekulare Arzneistoffe zeigen eine nur geringe Membranpermeation. Eine höhere Bioverfügbarkeit für solche biopharma zeutisch problematischen Moleküle, z.B. für Ciclosporin, konnte über Mikroemulsionssysteme (Tab. 1.20) erzielt werden. Als weiteres Problem muss die Möglichkeit eines ausgeprägten First-Pass-Effekts nach Aufnahme von Arzneistoffen über den Dünndarm und die Pfortader in die Leber bedacht werden.
Der Dickdarm dient eher der Rückresorption von Wasser als der Absorption von Nahrungs- oder Wirkstoffen. Er besitzt nur eine Resorptionsfläche von etwa 1 m2. Trotzdem ist für einige Stoffe wie β-Blocker Dickdarmoder auch Polypeptide die Absorptionsquote im Dickdarm höher als im Dünndarm. Beim Übergang vom Ileum zum Dickdarm erhöht sich die Bakterienkonzentration um den Faktor 109. Etwa die Hälfte der Trockensubstanz der Fäzes besteht aus meist anaeroben Bakterien. Deren vielfältige Enzyme zeigen nahezu keine Peptidaseaktivität, aber durch Azoreduktasen oder durch Glykosidasen können zahlreiche Pro-Drugs oder Hilfsstoffe im Dickdarm gespalten werden, sodass Wirkstoffe hier absorbiert werden.
Arzneimittel zur rektalen Anwendung
Das Rektum hat eine Absorptionsfläche von 400–700 cm2. Ein Arzneimittel(therapie):ApplikationTeil der venösen Versorgung der Mucosa führt nicht zur Leber, sondern direkt in Applikation:rektaleden großen Blutkreislauf. Ein hepatischer First-Pass-Effekt wird Rektum:Absorptiondeshalb bei rektal applizierten Wirkstoffen zum Teil vermieden. Weitere Vorteile sind die einfache Applikation, wenn Erkrankungen des Magen-Darm-Trakts, Unwille bei Kindern oder Bewusstlosigkeit eine perorale Applikation nicht erlauben.
Die hier am meisten angewandte Arzneiform sind die Rektalzäpfchen (Suppositorien; Kap. 1.4.2). Sie enthalten den suspendierten Wirkstoff in einer Masse aus Hartfett, einer Mischung aus Mono-, Di- und RektalzäpfchenTriglyceriden mit mittelkettigen und gesättigten Fettsäuren. Die Zäpfchen Suppositorienschmelzen knapp unterhalb der Körpertemperatur bei etwa 34 °C, die Masse verteilt sich als dünne Schicht („spreitet“) an der Oberfläche der Darmmucosa und gibt dort den Wirkstoff frei. Neben diesen Schmelzzäpfchen werden auch Lösungszäpfchen hergestellt. Sie werden in heißeren Ländern verwendet und sind auch bei höheren Lagertemperaturen formstabil. Ihre SchmelzzäpfchenGrundmasse aus Macrogol (Polyethylenglykol) entzieht aber beim Lösevorgang der Umgebung Lösungszäpfchenerheblich Wasser und erschwert damit die Wirkstoffabsorption. Wirkstoffhaltige Zäpfchen zeigen eine längere Plateauphase der Plasmakonzentration als perorale Arzneiformen.
Auch eine lokale Therapie gegen Obstipation ist mit Zäpfchen einfach möglich. Hier wird ein elastisches Gel aus Gelatine und Glycerol hergestellt, wobei das Glycerol laxierend wirkt. Diese sich lösenden Zäpfchen sind ein Nährboden für Bakterien und sollen Obstipation:Zäpfchendeshalb frisch hergestellt und/oder konserviert werden.
Rektalkapseln sind Weichgelatinekapseln in geeigneter Form. Rektal applizierte Flüssigkeiten, sogenannte Klysmen oder RektalkapselnKlistiere, werden als Spülklysmen, zu diagnostischen Zwecken oder als möglichst gesättigte Wirkstofflösungen appliziert.
Arzneimittel zur vaginalen Anwendung
KlysmenKlistiereDie Schleimhaut der Scheide hat eine Fläche von etwa 100 Arzneimittel(therapie):Applikationbis 150 cm2. Für überwiegend lokale Wirkung, z.B. von Antimykotika, werden oft Applikation:vaginalewirkstoffhaltige eiförmige oder kugelige VaginalschleimhautZäpfchen, d.h. Globuli oder Ovula, verwendet, die wie die rektalen Arzneiformen aus Hartfett, Macrogol oder Glycerol/Gelatine hergestellt werden. Sie werden wegen ihrer eingeschränkten Haltbarkeit zunehmend Vaginalzäpfchenvon Weichgelatinekapseln abgelöst. Vaginaltabletten sind nicht überzogen und auch mit wenig Flüssigkeit gut quellfähig. Zum Teil werden ihnen zum Vaginalkapselnschnelleren Zerfall Brausemischungen zugesetzt. Einige Wirkstoffe können durch die Vaginalschleimhaut Vaginaltablettendiffundieren oder aktiv transportiert werden. Die Permeation hängt dabei von der Dicke der Schleimhaut ab, die zyklusbedingt veränderlich ist. Auch systemische Wirkungen lassen sich demnach durch vaginale Applikation erzielen. Die Bioverfügbarkeit von Steroidhormonen ist nach vaginaler sogar größer als nach oraler Gabe. Geeignete Arzneiformen dazu sind neben den oben genannten auch Vaginalschäume oder Sprays. Als Retardformen, z.B. zur Empfängnisverhütung, werden Vaginalringe aus Kunststoffen Vaginalschäumeverwendet, als therapeutische Systeme (s.o.) werden VaginalspraysIntrauterinpessare in den Gebärmutterhals eingesetzt.
Arzneimittel zur nasalen Anwendung
VaginalringeIntrauterinpessareDie Nasenschleimhaut hat eine Absorptionsfläche von Arzneimittel(therapie):Applikationetwa 100 cm2. Unter Vermeidung des First-Pass-Effekts können lipophile Applikation:nasaleWirkstoffe wie Buserelinacetat, Gonadorelin, Vasopressin oder Steroidhormone mittels Nasenschleimhaut:AbsorptionSprays und Tropfen einfach verabreicht werden (Kap. 1.4.2). Dabei wird besonders beachtet, dass Hilfsstoffe wie Mineralöle, die die Aktivität der Flimmerhärchen beeinträchtigen, nicht verwendet werden. Die Bioverfügbarkeit von nasal applizierten Peptiden ist zwar recht hoch, schwankt aber stark.
Arzneimittel zur Anwendung an der Haut
Die Haut ist mit etwa 10 kg das größte Organ des Arzneimittel(therapie):ApplikationMenschen. Trotz ihrer großen Oberfläche von durchschnittlich 1,7 m2 ist sie ein Applikation:kutanehervorragender Schutz gegen das Eindringen von Fremdstoffen. Das Haut:ArzneimittelapplikationStratum corneum (SC) ist die eigentliche Permeationsbarriere. Diese besteht aus mehreren Schichten abgestorbener Keratinozyten, die nahezu lückenlos mit sehr dichten Lipidschichten kovalent verbunden sind. Diese Lipide (verschiedene Ceramide und Cholesterolderivate) sind nur schlecht hydratisierbar und verhindern damit die Permeation nicht nur von Partikeln, sondern auch von Wasser und hydrophilen Stoffen (Kap. 1.4.2). Für zahlreiche Hauterkrankungen benötigt man jedoch Arzneimittel, die eine Wirkstoffpenetration in die Haut ermöglichen. Eine systemische Wirkungsoll meistens vermieden werden. Die lokale (topische) Behandlung wird ermöglicht durch halbfeste Arzneiformen.
Salben sind einphasige Mischungen aus lipophilen Grundlagen wie Vaselin, Paraffinen, Wachsen oder Triglyceriden oder aus Macrogol als hydrophiler Grundlage. Der Zusatz von Emulgatoren zu den lipophilen Grundlagen ermöglicht eine SalbenWasseraufnahme, die dann zu zweiphasigen Systemen, den Cremes, führt. Es handelt sich dabei um Emulsionen, bei denen entweder Wassertröpfchen in die lipophile äußere Phase eingearbeitet werden (Wasser in Öl = W/O) oder Cremeslipophile Tröpfchen in die Wasserphase (Öl in Wasser = O/W). Die Anteile der lipophilen und Emulsionenhydrophilen Phasen sowie der Typ der Emulgatoren bestimmen den Charakter der Emulsion. Gele bestehen aus einer einheitlichen wässrigen (Hydrogele) oder lipophilen Phase (Oleogele), deren Konsistenz durch strukturbildende Hilfsstoffe verfestigt wird. Pasten Gelesind Dispersionen mit einem hohen Feststoffgehalt. Der Effekt der halbfesten Zubereitungen beruht z.T. darauf, dass das SC so weit hydratisiert wird, dass PastenWirkstoffe besser in tiefere Hautschichten penetrieren. Salben und DispersionenPasten decken die Haut so dicht ab, dass verdunstendes Wasser nicht von der Hautoberfläche entfernt wird und das SC dadurch aufquillt (Okklusiveffekt). Bei O/W-Cremes und Hydrogelen verursacht das eingearbeitete Wasser eine SC-Quellung. Hauterkrankungen sind oft mit einem Verlust der Okklusiveffekt:HautsalbenBarrierefunktion des SC verbunden. Hier haben die halbfesten Arzneiformen mit und ohne Wirkstoffe auch Hydrogeleeine schützende Funktion.
Neben der lokalen Wirkung ist mit modernen Arzneiformen aber auch eine transdermale systemische Wirkung von Arzneistoffen möglich. Für niedermolekulare und niedrig dosierbare Wirkstoffe wie Glyceroltrinitrat, Steroidhormone, Fentanyl, Scopolamin oder Nicotin wurden transdermale Arzneimittelwirkungen:transdermale systemischetherapeutische Systeme (TTS) entwickelt (s.o.). Über die Haut gelangen die Wirkstoffe weitgehend ohne First-Pass-Effekt direkt transdermale therapeutische Systeme (TTS)in den großen Kreislauf. Das SC spielt dabei die Rolle eines Zwischenspeichers TTS (transdermale therapeutische Systeme)bei der Wirkstoffabgabe in tiefere Hautschichten. Für die systemische Wirkung größerer Moleküle wie Polypeptide kann die Iontophorese eingesetzt werden. Die Geräte haben Ausmaße größerer Armbanduhren und bestehen aus elektrochemischen Einheiten mit Wirkstoffreservoir. Durch Anlegen gepulster Spannungen wird ein Stromfluss durch die Haut Iontophoreseerzeugt, der vorübergehend die Integrität des SC stört und zur Permeation auch großer Moleküle in und durch die Haut führt.
Arzneimittel zur pulmonalen Anwendung
Die Lunge gewinnt durch neue Arzneiformen eine Arzneimittel(therapie):Applikationwachsende Bedeutung für die Applikation von Wirkstoffen. Wirkstoffe mit mittlerer Applikation:pulmonaleLipophilie werden in den Alveolen über die Grenzflächen Lunge:Arzneimittelapplikationzwischen Luft und Gewebe (Kap. 1.4.2) in das Blut aufgenommen. Die etwa 300 Mio. Alveolen bilden eine Absorptionsfläche von etwa 100 m2.
Die Vorteile der pulmonalen Applikation von Stoffen zur systemischen Wirkung sind die Umgehung des hepatischen First-Pass-Effekts und eine wesentlich höhere Bioverfügbarkeit im Vergleich zum Dünndarm für höhermolekulare Stoffe wie Peptide, z.B. Insulin. Voraussetzung für die Absorption von Arzneistoffen ist ihr Transport über die Atemluft bis in die Alveolen. Dazu sind als Träger Aerosole in Form von Tröpfchen oder Feststoffpartikeln notwendig, die eine Teilchengröße zwischen etwa 1 und 6 μm besitzen. Größere Teilchen prallen bereits an die Wände der oberen Luftwege, kleinere Teilchen werden wieder abgeatmet. Um in der Lunge eine kurzzeitige lokale Wirkung mit einer möglichst geringen systemischen Absorption zu erzielen, wie es bei verschiedenen Antiasthmatika erforderlich ist, müssen hydrophile und geladene Arzneistoffmoleküle (z.B. Salbutamol-Sulfat) verwendet werden, die in den unteren Atemwegen die Membranbarrieren der Alveolarepithelien und der Kapillarendothelien kaum durchdringen. Lang wirkende Antiasthmatika (z.B. Salmeterol) sind so lipophil, dass sie sich relativ stabil in die Zellmembranen einlagern und von dort nur langsam abgegeben werden.
Zur genauen Wirkstoffdosierung bestehen die Möglichkeiten der Applikation von Treibgasaerosolen, Pulveraerosolen oder der Bildung von Aerosolen durch TreibgasaerosoleUltraschallvernebelung oder Zerstäubung mit Düsen Pulveraerosolebei hohem Druck. Von all diesen Systemen sind für den Patienten einfach anwendbare AerosoleGeräte im Handel. Bei den Treibgasaerosolen werden heute umweltsichere Gase als UltraschallvernebelungAlternative für die früher verwendeten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) verwendet. Die Schwierigkeiten der Koordination der Atmung mit der Applikation können durch geeignete Applikationshilfen erheblich vermindert werden.
Beeinflussung der Distribution
Die systemische Verteilung der absorbierten Stoffe im Körper erfolgt in einem ersten Schritt Arzneimittel(therapie):Verteilungüber den Blutkreislauf und danach über die Umverteilung in weitere Kompartimente. Durch Distribution von Pharmaka:Beeinflussungdie Verteilung von hydrophilen Arzneistoffen im gesamten Körperwasser oder von lipophilen Arzneistoffen in das Fettgewebe oder in die Membranen der Körperzellen wird die wirksame Konzentration am Zielgewebe stark erniedrigt. Außerdem kann die Verteilung in anderen Geweben unerwünschte Nebenwirkungen auslösen. Deshalb wird mit verschiedenen Maßnahmen versucht, den Wirkstoff gezielt an den Wirkort zu steuern (Targeting).
Bei der parenteralen Anwendung bietet sich dazu neben der direkten Injektion in das Zielorgan die Assoziation zahlreicher Wirkstoffe an partikuläre Träger an. Die Endothelzellen der Kapillaren sind in den Targetingmeisten Geweben über Tight Junctions so eng miteinander verbunden, dass kein Durchtritt von Partikeln durch diese Barriere stattfinden kann. In einigen Organen wie Leber, Milz und Knochenmark ist die Endothelzellschicht jedoch löchrig und gestattet den Übergang von Partikeln mit einer Teilchengröße von etwa 150 nm (= 0,15 μm) aus dem Blutkreislauf in diese Gewebe und damit in das retikuloendotheliale System (RES). In diesen Organen sind zusätzlich zahlreiche Gewebsmakrophagen vorhanden, die diese Partikel irreversibel retikuloendotheliales System (RES)durch Phagozytose eliminieren. Deshalb wird das RES auch als mononukleäres RES (retikuloendotheliales System)Phagozytensystem (MPS) oder als Makrophagensystem bezeichnet. Der mononukleäres Phagozytensystem (MPS)Phagozytosereiz wird durch ein Muster von Serumproteinen ausgelöst, die während MPS (mononukleäres Phagozytensystem)der Blutzirkulation an die Partikel adsorbieren und die man als MakrophagensystemOpsonine bezeichnet. Die Opsonisierung kann man durch Beschichtung der Partikel mit dem stark hydrophilen Polyethylenglykol (PEG) verhindern. Dadurch wird Opsoninefolglich die Phagozytose unterdrückt und die Dauer der Zirkulation im Blut verlängert. Solide Tumoren haben Kapillarendothelien, in denen man Löcher bis über 500 nm Polyethylenglykol (PEG)findet. Daher werden in vielen Tumoren nanopartikuläre Träger (Partikel mit Teilchengrößen zwischen etwa 10 und 300 nm), die antitumorale Wirkstoffe enthalten, herausgefiltert und angereichert. Die Wirkstoffdeposition in den Tumor konkurriert dabei mit der in das RES. Die Verteilung in den Tumor kann deshalb durch die PEG-Beschichtung begünstigt werden. Zusätzlich kann ein spezifisches Targeting durch Wechselwirkung Tumoren:Wirkstoffverteilungder Partikel mit den Tumorzellen erzielt werden. Dazu werden spezifische Liganden wie Folsäure, Peptide oder Tumorantikörper an die Partikel angeheftet.
Geeignete nanopartikuläre Trägersysteme sind Zytostatika-beladene Tumorzellen:Targetingspezifische Antikörper, aber auch Nanopartikel und Liposomen, die größere Mengen der Wirkstoffe Zytostatika-beladene spezifische Antikörperenthalten. Nanopartikel bestehen aus bioabbaubaren Polymeren als Matrix- oder Hüllmaterial. Liposomen Nanopartikelsind Vesikel, d.h. kugelig in sich geschlossene Membranen, die aus Liposomennatürlichen oder modifizierten Phospholipiden aufgebaut sind und zur Stabilisierung Cholesterol enthalten können. In den wässrigen Innenraum der Vesikel können hydrophile Arzneistoffe eingeschlossen, in die Membran lipophile Arzneistoffe inkorporiert werden.

Klinische Arzneimittelentwicklung und Pharmakovigilanz

K. Dilger
Am Anfang der Entwicklung einesArzneimittel(therapie):Entwicklung neuen Arzneimittels (Kap. 1.1.2) steht eine wissenschaftliche Idee. Sie Klinische Arzneimittelentwicklungkann aus einer Beobachtung im Labor oder einer klinischen Erfahrung Arzneimittelentwicklung:klinischeerwachsen. Die Auswahl und Charakterisierung von Testsubstanzen sind wichtige Aufgaben der präklinischen Arzneimittelentwicklung. In Abhängigkeit von Ergebnissen aus In-vitro-Experimenten und Tierversuchen wird eine Testsubstanz dann in klinischen Prüfungen bei Menschen weiterverfolgt. Die zentrale Entscheidung über die Wirksamkeit und Verträglichkeit eines Arzneimittels fällt in den klinischen Prüfungen bei Patienten. Sowohl für die präklinische (Labor- und Tierversuche) als auch für die klinische Arzneimittelentwicklung (klinische Prüfungen bei Menschen) bis hin zur Zulassung und Beobachtung des Fertigarzneimittels im Markt existieren heute international gültige Regeln. Fertigarzneimittel, die ein Zulassungsverfahren durchlaufen haben und von pharmazeutischen Unternehmen serienmäßig „im Voraus“ hergestellt werden, bilden heute den überwiegenden Anteil bei den Arzneiverordnungen. Nach wie vor werden Arzneimittel auch nach individueller Verschreibung des Arztes in Apotheken hergestellt (Rezepturarzneimittel, www.dac-nrf.de). Auf diese beziehen sich die folgenden Ausführungen nicht.

Arzneimittelrecht

Bis 1977 wurden neue RezepturarzneimittelArzneimittel in Deutschland lediglich bei der zuständigen Bundesbehörde registriert. Eine Überprüfung vor dem Inverkehrbringen fand nur im Hinblick auf die pharmazeutische Qualität statt, die dem Arzneibuch zu Arzneimittelrechtentsprechen hatte. Die Thalidomid-Katastrophe, bei der ein neues Schlaf- und Beruhigungsmittel zu Beginn der 1960er-Jahre zu schwersten Kindesfehlbildungen führte (Abb. 1.68), leitete ein Umdenken ein. Am 1. Januar 1978 trat ein neues Arzneimittelgesetz (AMG, Gesetz über den Verkehr mit Arzneimitteln, Abkürzungen in Tab. 1.21) in Kraft. Es verpflichtet den pharmazeutischen Unternehmer nunmehr, vor der Zulassung nicht nur die Arzneimittelgesetz (AMG)pharmazeutische Qualität, sondern auch die therapeutische Wirksamkeit und Unbedenklichkeit des Arzneimittels nachzuweisen.
Die Zuständigkeit für die Zulassung aller Arzneimittel außer Sera, Impfstoffe, Allergene, Testsera, Testantigene und Blutzubereitungen liegt in Deutschland beim Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte in Bonn (BfArM, www.bfarm.de), für Sera, Impfstoffe, Allergene, Testsera, Testantigene und Blutzubereitungen beim Paul-Ehrlich-Institut in Langen (Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM)PEI, www.pei.de). In Österreich und in der Schweiz gibt es ein vergleichbares nationales Arzneimittelrecht. Dort sind das Bundesamt für Sicherheit im Paul-Ehrlich-Institut (PEI)Gesundheitswesen in Wien (www.basg.at) und Swissmedic, das Schweizerische Heilmittelinstitut in Bern (Bundesamt für Sicherheit im Gesundheitswesenwww.swissmedic.ch), die für das Arzneimittelwesen zuständigen Behörden. Die zusammenfassende Bewertung eines neuen Arzneimittels und damit die Entscheidung der Swissmedic, Schweizerisches HeilmittelinstitutBehörden über die Zulassung basiert auf einer sorgfältigen Abschätzung zwischen Nutzen und Risiko für betroffene Patienten. Das Ergebnis dieser übergreifenden Bilanzierung wird beeinflusst von der Schwere der zu behandelnden Erkrankung und der Verfügbarkeit anderer Behandlungsoptionen.

Klinische Prüfung von Arzneimitteln

Der Begriff „Klinische Prüfung bei MenschenArzneimittel(therapie):Prüfung“ wird im AMG definiert als „jede am Menschen durchgeführte Untersuchung, die Klinische Arzneimittelprüfungdazu bestimmt ist, klinische oder pharmakologische Wirkungen von Arzneimittelprüfung:klinischeArzneimitteln zu erforschen oder nachzuweisen oder Nebenwirkungen festzustellen oder die Resorption, die Verteilung, den Stoffwechsel oder die Ausscheidung zu untersuchen mit dem Ziel, sich von der Unbedenklichkeit oder Wirksamkeit der Arzneimittel zu überzeugen“. Untersuchungen am Menschen dürfen erst begonnen werden, wenn eine breite Datenbasis zur präklinischen Pharmakologie und Toxikologie des Wirkstoffs vorliegt. Empfehlungen und Leitlinien zur Methodik klinischer Prüfungen, die sowohl in Europa als auch in USA und Japan gelten, wurden von der International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use (ICH)International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use (ICH) erstellt. In der ICH arbeiten Experten sowohl aus Zulassungsbehörden als auch aus der Industrie.ICH (International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use) Das wichtigste ICH-Dokument ist die sogenannte GCP-Leitlinie („Note for Guidance on Good Clinical Practice“, www.ich.org; s. Kasten). Ihre Einhaltung soll gewährleisten, dass die Rechte, die Sicherheit und das Wohlergehen der betroffenen Personen geschützt werden und GCP-Leitlinie (Note for Guidance on Good Clinical Practice)die Ergebnisse der klinischen Prüfung glaubwürdig sind. Die Grundsätze von GCP stützen sich auf die Deklaration von Helsinki des Weltärztebundes. Die dort 1964 erstmals niedergelegten und seither mehrfach revidierten ethischen Grundsätze sind weltweit verbindlich für medizinische Forschung am Menschen (www.wma.net). Deklaration von HelsinkiSo muss die Einwilligung von Gesunden und Patienten in eine Arzneimittelprüfung freiwillig und nach Aufklärung über alle möglichen Risiken erfolgen (Informed Consent). Der Versuchsteilnehmer kann jederzeit und ohne Angabe von Gründen die Zustimmung zur Teilnahme widerrufen, ohne dass ihm dadurch Nachteile entstehen.

ZUR VERTIEFUNG

Good Clinical Practice (GCP, „Gute Klinische Praxis“)

Good Clinical Practice (GCP)GCP-Leitlinie (Note for Guidance on Good Clinical Practice)Die klinische Prüfung nach GCP fußt auf den ethischen Prinzipien der Deklaration von Helsinki. Vor Studienbeginn ist eine Nutzen-Risiko-Abschätzung für den einzelnen Versuchsteilnehmer und die öffentliche Gesundheit durchzuführen. Nur Prüfungen, bei denen der absehbare Nutzen überwiegt, dürfen durchgeführt werden. Mit GCP werden die folgenden Punkte geregelt: Inhalte der Prüfpläne, Aufklärungspflichten, Rolle der Ethik-Kommissionen, Details zur Methodik in kontrollierten klinischen Studien wie Randomisierung der Patienten und Entblindung der Ergebnisse, Kommunikation zwischen Prüfer, Sponsor und Kontrollgremien, Verantwortlichkeiten aller Beteiligten und Zugangsmöglichkeiten zu den Primär- und Sekundärdaten, Anforderungen an Prüfpräparate, Auswertungsvorschriften sowie Vorschriften zum vorzeitigen Studienabbruch und Kontrolle der Übereinstimmung zwischen Prüfplan und tatsächlich durchgeführter Studie. Auch die Inhalte einer separaten Prüferinformation (Investigator's Brochure) werden genau beschrieben, um vor Beginn der Untersuchung eine vollständige Information aller Prüfer über das Prüfpräparat und dessen bisherige Anwendung sicherzustellen. Eine GCP-gerechte Planung, Durchführung und Auswertung von klinischen Prüfungen sorgt für hohe Datenqualität und unterstützt die gegenseitige Akzeptanz der so erhaltenen Ergebnisse in Europa, Japan und den USA.
Phasen der klinischen Prüfung
Informed ConsentDie klinische Entwicklung eines Arzneimittels gliedert sich in vier Phasen, die sich in der Praxis überlappen können (Abb. 1.69). Die vier Phasen werden in der „Note Klinische Arzneimittelprüfung:Phasenfor Guidance on General Considerations for Clinical Trials“ erklärt.
Phase I
Die Phase I der klinischen Prüfung ist die Erstanwendung eines Arzneimittels am Menschen, nachdem in vitro und in Tierversuchen die Wirkung und Verträglichkeit vorläufig charakterisiert Phasen der klinischen Prüfungwurden. Diese humanpharmakologischen Studien verfolgen üblicherweise kein therapeutisches Ziel. Die Studien werden mit wenigen gesunden Freiwilligen (Probanden) durchgeführt. Das Ziel sind Erkenntnisse über die Verträglichkeit in einem Studien:humanpharmakologischebestimmten Dosisbereich nach Einmal- und Mehrfachgabe, die Pharmakokinetik (Resorption, Verteilung, Biotransformation, Elimination) und die Pharmakodynamik. Potentiell stark toxische Substanzen wie Zytostatika, deren Anwendung bei Gesunden nicht vertretbar ist, werden an Patienten untersucht, die möglicherweise von der Anwendung profitieren.
Phase II
Phase-II-Studien sind erste therapeutische Erprobungen an einem kleinen Patientenkollektiv (wenige hundert) von relativ kurzer Dauer. Mit einem Prüfplan, der in der Regel eine Kontrollgruppe und den Vergleich mit Ausgangswerten enthält,
werden Wirksamkeit und Sicherheit eines Arzneimittels in einer bestimmten Indikation geprüft. Die Ein- und Ausschlusskriterien für Patienten werden sehr eng gewählt, sodass eine homogene Population untersucht wird. Zur Dosisfindung können Dosiseskalationsstudien durchgeführt werden. Die verabreichten Dosen liegen im Allgemeinen unterhalb der höchsten Dosis in der Phase I. Zur Beurteilung der Wirksamkeit dürfen in dieser Phase statt harter klinischer DosiseskalationsstudienStudienendpunkte Surrogatparameter verwendet werden, die einen Behandlungserfolg anzuzeigen vermögen, z.B. bei der Prüfung eines Zytostatikums „Verminderung der Tumorgröße“ anstelle von absoluter Überlebenszeit. Alle Ergebnisse sind Surrogatparameterwichtig als Planungsgrundlage für die aufwendige Phase III.
Phase III
Ziel der Phase III ist der definitive Beweis des therapeutischen Nutzens eines Arzneimittels. Die in der Phase II zusammengetragenen Daten zur Unbedenklichkeit und Wirksamkeit eines Arzneimittels sollen jetzt mit einem großen Patientenkollektiv (je nach Indikation einige hundert bis mehrere tausend) in der Zielindikation bestätigt werden. Diese konfirmatorischen Studien sind meist multizentrisch angelegt. Sie bilden die Basis des späteren Zulassungsantrags. Typisch für die Phase III ist die randomisierte Studien:konfirmatorischeDoppelblindstudie, in der eine Patientengruppe das Prüfpräparat erhält (Verumgruppe), die Vergleichsgruppe hingegen Placebo oder die bisherige Standardbehandlung (Kontrollgruppe). Weder Prüfarzt noch Patient kennen Doppelblindstudienhierbei den Inhalt des Randomisierungsplans, der nach dem Zufallsprinzip festlegt, welcher Behandlungsgruppe ein Patient angehört.
Phase IV
Phase-IV-Studien sind alle klinischen Prüfungen, die nach der Zulassung beginnen und bei denen das Arzneimittel bestimmungsgemäß, also in der zugelassenen Indikation, Dosierung und Anwendungsdauer, gegeben wird. Sie sind wichtig zur Optimierung der Anwendung. Auf diese Weise werden Fragen zur Sicherheit bei Langzeitanwendung beantwortet oder mögliche Interaktionen mit anderen Arzneimitteln geprüft.
Genehmigung der klinischen Prüfung und Bewertung durch Ethikkommissionen
Eine klinische Prüfung bei Menschen darf nur begonnen werden, wenn die zuständige Ethikkommission Klinische Arzneimittelprüfung:Genehmigungsie zustimmend bewertet und die zuständige Bundesoberbehörde (BfArM bzw. PEI) sie ausdrücklich genehmigt hat.
Für das Genehmigungsverfahren muss der Bundesoberbehörde bei einer Ethik-Kommissionen:klinische Prüfungenklinischen Studie mit einem noch nicht zugelassenen Arzneimittel ein umfangreiches Dossier mit Angaben zur Herstellung und Qualität des Prüfpräparats und zu präklinischen und – soweit vorhanden – klinischen Untersuchungen vorgelegt werden. Jede klinische Prüfung mit einem Prüfzentrum in Europa muss in der EudraCT-Datenbank registriert werden (European Clinical Trials Database, EudraCT).
Zusätzlich zu den Vorschriften im AMG verlangen auch die Berufsordnungen der Ärztekammern, dass sich Ärzte vor der Durchführung biomedizinischer Forschung am Menschen durch European Clinical Trials Database (EudraCT)die zuständige Ethikkommission (Ethikkommission bei der Landesärztekammer oder bei einer Universität des Landes) beraten lassen. Die Ethikkommissionen sind unabhängige Gremien aus im Gesundheitsbereich und in nichtmedizinischen Bereichen tätigen Personen. Ihre Aufgabe ist es, die Prüfungsteilnehmer zu schützen. Sie nehmen Stellung zum Prüfplan, zur schriftlich abgefassten Probanden-/Patienteninformation mit Einverständniserklärung sowie zur Eignung der Prüfer und Prüfzentren. Sie achten darauf, dass die Deklaration von Helsinki eingehalten wird.
Die gesetzlichen Anforderungen bei Arzneimittelprüfungen bedeuten einen erheblichen Aufwand für alle Beteiligten, insbesondere für den sogenannten Sponsor. Der Sponsor ist nicht zwangsläufig ein pharmazeutischer Unternehmer, Sponsor kann auch eine klinische Einrichtung oder ein einzelner Prüfarzt sein. Im AMG ist als Sponsor die natürliche Sponsoren:klinische Prüfungenoder juristische Person definiert, welche die Verantwortung für die Veranlassung, Organisation und Finanzierung einer klinischen Prüfung bei Menschen übernimmt.

Zulassung von Arzneimitteln

Die Zulassung entscheidet über den Marktzugang eines Fertigarzneimittels. Sie wird vom pharmazeutischen Unternehmer bei Zulassung von Arzneimittelnder Zulassungsbehörde beantragt und erfolgt in Deutschland auf der Arzneimittel(therapie):ZulassungGrundlage des AMG. Der Zulassungsantrag enthält die Ergebnisse aus analytischen, pharmakologisch-toxikologischen und klinischen Prüfungen, die Zusammenfassung der Merkmale des Arzneimittels (Summary of Product Characteristics, SmPC) und Sachverständigengutachten. Die SmPC ist die Basis für die spätere Packungsbeilage für Patienten und die Gebrauchsinformation für Fachkreise (Summary of Product Characteristics (SmPC)Fachinformation). Die zuständige Behörde prüft die vorgelegten Unterlagen und versagt oder erteilt die beantragte Zulassung, eventuell mit Auflagen. Verlängerungen werden auf Antrag und nach erneuter Überprüfung Fachinformationerteilt. Spätere Änderungen der Anwendungsgebiete, der Dosierung, Anwendungsart und -dauer sowie der Angaben über Nebenwirkungen und Gegenanzeigen in der Fachinformation sind zustimmungspflichtig. Die Zulassung eines Arzneimittels kann entweder nach einem nationalen oder nach einem europäischen Verfahren (dezentral oder zentral) erfolgen.
Nationales Zulassungsverfahren
Rein nationale Zulassungen von Arzneimitteln im Geltungsbereich des AMG haben wegen der hohen Kosten für die Entwicklung zunehmend an Bedeutung verloren.
Europäische Zulassungsverfahren
Dezentrale Zulassungsverfahren
Das Verfahren der gegenseitigen Anerkennung (Mutual Recognition Procedure, MRP) führt zur Zulassungsverfahren:dezentraleZulassung in mehreren EU-Mitgliedstaaten. Der pharmazeutische Unternehmer wählt im Vorfeld aus, welche Mitgliedstaaten in das Verfahren einbezogen Mutual Recognition Procedure (MRP):Arzneimittelzulassungwerden, und bestimmt den sogenannten Referenzmitgliedstaat (Reference Member State, RMS). Auch Norwegen, Island und Liechtenstein können beteiligt werden. Die Zulassungsbehörde des RMS übernimmt die Verfahrensführung und startet das Verfahren. In den anderen betroffenen Mitgliedstaaten (Concerned Member States, CMSs) werden identische Anträge eingereicht. Dadurch wird eine Harmonisierung in den verschiedenen Ländern sichergestellt. Seit Oktober 2005 gibt es alternativ ein neues dezentrales Verfahren (Decentralised Procedure, DCP) mit erweiterten Diskussionsmöglichkeiten für CMSs.
Zentrales Zulassungsverfahren
Im Decentralised Procedure (DCP):ArzneimittelzulassungUnterschied zum dezentralen Verfahren erfolgt die Zulassung in allen Mitgliedstaaten. Die Zulassung wird nicht von einer nationalen Behörde erteilt, sondern von der Europäischen Zulassungsverfahren:zentralesKommission in Brüssel (Abb. 1.70). Diese lässt sich vom Committee for Medicinal Products for Human Use (CHMP), das mit Vertretern der Mitgliedstaaten besetzt ist, wissenschaftlich beraten. Das CHMP bestimmt zwei Mitglieder als Rapporteur/Co-Rapporteur, die inhaltlich Committee for Medicinal Products for Human Use (CHMP)stellvertretend für die Europäische Union die eingereichten Unterlagen prüfen. Die Organisation obliegt der europäischen Zulassungsagentur in London (European Medicines Agency, EMA, www.ema.europa.eu). Das zentrale Zulassungsverfahren ist obligatorisch bei biotechnologisch hergestellten Arzneimitteln und fakultativ bei „innovativen“ Arzneimitteln, z.B. bei neuen European Medicines Agency (EMA)Wirkstoffen. Seit November 2005 ist es außerdem verpflichtend für Arzneimittel zur Behandlung von AIDS, Krebs, neurodegenerativen Erkrankungen, Diabetes und seltenen Erkrankungen („orphan diseases“), seit Mai 2008 zudem für solche zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen, Immundefekten und viralen Erkrankungen.

Therapiefreiheit

Grundsätzlich gilt die Zulassung eines Fertigarzneimittels nur für die in der Fachinformation aufgeführten Anwendungsgebiete, Dosierungen und Anwendungszeiträume (bestimmungsgemäßer Gebrauch). TherapiefreiheitFachinformationen können Angehörige der Heilberufe im Internet einsehen (www.fachinfo.de) oder vom pharmazeutischen Unternehmer anfordern. Ist der behandelnde Arzt bei der Arzneiverordnung nun streng an diese Vorgaben Fachinformationgebunden? Er ist es nicht. Er kann ein Fertigarzneimittel auch anders anwenden. Allerdings muss er bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch ein erhöhtes zivil- und strafrechtliches Haftungsrisiko beachten.
Off-label use
Als off-label use bezeichnet man die Verordnung eines Fertigarzneimittels außerhalb des in der Zulassung genehmigten Gebrauchs. Wenn in der wissenschaftlichen Literatur die Wirksamkeit des Arzneimittels in einer nicht off-label usezugelassenen Indikation beschrieben ist, wird sich der Arzt zu einem derartigen Einsatz möglicherweise entschließen. In der Onkologie und in der Pädiatrie werden viele Arzneimittel off label gegeben. Die gesetzlichen Krankenkassen in Deutschland sind nicht in jedem Fall zur Kostenübernahme verpflichtet. Im Jahr 2002 wurden vom Bundessozialgericht die Kriterien für eine Kostenerstattung zulasten der gesetzlichen Krankenversicherungen festgelegt. Es muss sich um eine schwerwiegende Erkrankung handeln, für die keine andere Therapie verfügbar ist und bei der auf der Grundlage der Datenlage die begründete Aussicht auf einen Behandlungserfolg besteht.
Compassionate use
Unter compassionate use („Gebrauch aus Mitleid“) versteht man den Einsatz eines neuen, noch gar nicht zugelassenen Arzneimittels außerhalb klinischer Prüfungen. Der compassionate use kann für einen schwerstkranken Patienten compassionate usemit einer derzeit nicht behandelbaren Erkrankung lebensrettend sein. Diese Art der Arzneimittelgabe wird auch als Heilversuch bezeichnet. Der Heilversuch dient – im Gegensatz zur klinischen Prüfung – der verzweifelten Behandlung des Einzelfalls und nicht dem systematischen Sammeln von neuen Erkenntnissen über ein Prüfpräparat. Eine ausführliche HeilversuchVerlaufsdokumentation ist dem behandelnden Arzt aus haftungsrechtlichen Gründen angeraten. Seit 2010 ist die Behandlung von bestimmten Patientengruppen mit Arzneimitteln ohne Zulassung durch die Arzneimittel-Härtefall-Verordnung (AMHV) geregelt.

Pharmakovigilanz

Die Zulassung eines Arzneimittels garantiert selbstverständlich trotz strenger Auflagen im Zulassungsverfahren keine vollständige Sicherheit. Da im Allgemeinen in die klinischen Prüfungen der Phasen I bis PharmakovigilanzIII nur wenige tausend Patienten eingeschlossen werden, bleiben schon aus statistischen Gründen sehr seltene unerwünschte Arzneimittelwirkungen vor der Zulassung unentdeckt. Zudem ist eine Übertragung von Ergebnissen aus kontrollierten Studien mit ausgewählten Patientenkollektiven auf den klinischen Alltag nur bedingt möglich. Nach der Einführung eines Medikaments in den Markt steigt die Zahl der Anwender sprunghaft an. Risikogruppen wie ältere und multimorbide Patienten werden häufig erstmals mit dem neuen Arzneimittel behandelt. Das Erkennen von seltenen und bislang unbekannten Nebenwirkungen erfordert dann die besondere Wachsamkeit (Vigilanz) der Ärzte und Apotheker. Die gesundheitsökonomischen Folgen von Nebenwirkungen sind gravierend: 2–8% aller Behandlungsfälle im Krankenhaus resultieren aus unerwünschten Arzneimittelwirkungen.
Terminologie
Pharmakovigilanz bedeutet die ständige Überwachung der Wirksamkeit und der Verträglichkeit von Medikamenten bereits in der Phase der klinischen Arzneimittelentwicklung und insbesondere nach der PharmakovigilanzMarkteinführung.
Nebenwirkungen sind schädliche und unbeabsichtigte Reaktionen auf das Arzneimittel. Die Begriffe „Nebenwirkung“ und „unerwünschte Arzneimittelwirkung (UAW)Nebenwirkungen werden synonym verwendet. Als Nebenwirkung gilt auch eine Wechselwirkung mit anderen Medikamenten. unerwünschte Arzneimittelwirkung (UAW)Schwerwiegend sind solche Fälle, die tödlich oder lebensbedrohend sind, eine stationäre Behandlung oder Arzneimittelwirkungen:unerwünschteVerlängerung einer stationären Behandlung erforderlich machen, zu bleibender oder schwerwiegender Behinderung, Invalidität, kongenitalen Anomalien oder Geburtsfehlern führen. Als unerwartet bezeichnet man Reaktionen, deren Art, Ausmaß oder Ergebnis von der Sachinformation des Arzneimittels abweichen.
International akzeptierte Kriterien zur Kausalitätsbewertung ermöglichen eine Einteilung der unerwünschten Arzneimittelwirkungen in solche mit gesichertem, wahrscheinlichem, möglichem und unwahrscheinlichem Kausalzusammenhang mit der Anwendung des Medikaments. Die Beurteilung des Einzelfalls hängt ab vom zeitlichen Zusammenhang, von der Plausibilität von Alternativursachen, dem Verlauf nach Absetzen des verdächtigten Medikaments und dem Ergebnis einer Reexposition.
Häufigkeiten von Nebenwirkungen werden nach folgender Konvention beschrieben: sehr häufig (≥ 1/10 der Behandelten), häufig (≥ 1/100 bis < 1/10 der Behandelten), gelegentlich(≥ 1/1.000 bis < 1/100 der Behandelten), selten (≥ 1/10.000 bis < 1/1.000 der Behandelten), sehr selten (< 1/10.000 der Behandelten einschließlich Einzelfällen).
Spontanmeldesystem
Das Spontanmeldesystem ist ein wichtiges Instrument, um das aus klinischen Prüfungen gewonnene Sicherheitsprofil von neuen Arzneimitteln frühzeitig zu vervollständigen. Es wurde nach der Thalidomid-Katastrophe in zahlreichen SpontanmeldesystemLändern etabliert und erfasst Nebenwirkungsberichte von Angehörigen der Gesundheitsberufe und von Laien.
Ärzte und Apotheker werden in ihrem Berufsrecht verpflichtet, ihnen bekannt gewordene unerwünschte Arzneimittelwirkungen der Arzneimittelkommission der deutschen Ärzteschaft, einem Fachausschuss der Bundesärztekammer, bzw. der Arzneimittelkommission der deutschen Apotheker mitzuteilen. Angehörige der Gesundheitsberufe (Ärzte, Zahnärzte, Apotheker, Krankenpflegepersonal, Hebammen, Heilpraktiker, nichtärztliche Psychotherapeuten) und Laien können Verdachtsfälle auch direkt an das BfArM bzw. PEI oder den pharmazeutischen Unternehmer melden. Für die Erhebung steht ein strukturierter Meldebogen zur Verfügung, auf den z.B. unter www.bfarm.de zugegriffen werden kann. Alle Fallmeldungen werden in eine Datenbank geleitet und regelmäßig ausgewertet. Derzeit werden allerdings nur etwa 3% aller tatsächlich vorkommenden schwerwiegenden Nebenwirkungen im Spontanmeldesystem erfasst.
Bei der Spontanmeldung spielt neben der Quantität auch die Qualität der Signale eine wesentliche Rolle. Fehlen wichtige Patientendaten zur Diagnostik, zum Verlauf und zum Ausgang der Nebenwirkung, ist eine kritische Fallbewertung und spätere Signalanalyse erschwert. Entscheidend für die Arzneimittelsicherheit wird es daher weiterhin sein, Ärzte und Apotheker zuverlässiger in das System einzubinden.
Meldepflichten des Zulassungsinhabers
Nach dem deutschen AMG muss der Zulassungsinhaber (pharmazeutische Unternehmer) schon bei Verdacht auf eine Arzneimittelnebenwirkung die zuständige Behörde informieren. Innerhalb des pharmazeutischen Unternehmens ist der Stufenplanbeauftragte für die Erfüllung der Dokumentations- und Anzeigepflichten im Bereich der Arzneimittelsicherheit verantwortlich. Die Zulassungsbehörden werden regelmäßig mit ausführlichen Sicherheitsberichten zu zugelassenen Arzneimitteln (Periodic Safety Update Report, PSUR) über den aktuellen Stand der wissenschaftlichen Kenntnis unterrichtet. Neue Erkenntnisse über die Verträglichkeit des Arzneimittels führen zu Änderungen der Fachinformation und Periodic Safety Update Report (PSUR)Packungsbeilage. Je sorgfältiger also Medikamente von Ärzten und Apothekern bei der Anwendung am Patienten beobachtet werden, desto bessere Information kann an Ärzte, Apotheker und Patienten zurückgegeben werden.
Stufenplan
Der Stufenplanbeauftragte muss unverzüglich die zuständigen Behörden unterrichten, falls aus einem neu erkannten Arzneimittelrisiko Maßnahmen zur Risikoabwehr geboten sind, wie etwa ein Chargenrückruf oder eine Vertriebseinschränkung. Der sogenannte Stufenplan (nach § 63 AMG) regelt die genaue Zusammenarbeit und die Informationswege von Behörden und anderen beteiligten Stellen zur Verhütung einer ernsten Gesundheitsgefährdung Stufenplan zur Gefahrenabwehr (Arzneimittelgesetz)durch Arzneimittel in zwei Gefahrenstufen. Zur Gefahrenabwehr können zahlreiche Maßnahmen getroffen werden bis hin zu einem Rückruf des Arzneimittels mit öffentlicher Warnung. Die Rücknahme oder der Widerruf einer Zulassung bedeutet meist das Ende eines einstmals hoffnungsvoll entwickelten Arzneimittel(therapie):RücknahmeArzneimittels.

Dogmatische Arzneitherapien

K. Starke

Kritische Empirie und Dogma

Zulassung von Arzneimitteln:WiderrufDie in diesem Buch beschriebene Pharmakologie, Toxikologie Arzneimittel(therapie):dogmatischeund Therapie gründet sich auf kritische dogmatische ArzneitherapienEmpirie. Ob eine arzneitherapeutische Empirie, kritischeHypothese zutrifft, darüber entscheidet letztendlich die skeptisch prüfende Beobachtung. Die Gesetze der Natur nutzend, ist kritisch-empirische Therapie kritische Empirienaturwissenschaftliche Heilkunde, Naturheilkunde im Wortsinn. Wie das Buch zeigt, ist die kritisch-empirische Pharmakotherapie sehr erfolgreich. Freilich gelang es ihr nicht, Krankheitsleid aus der Welt zu schaffen. Nicht wenig Leid hat sie sogar Naturheilkundeverursacht, teils ihrer Nebenwirkungen wegen, teils und vor allem aber ihres Erfolges wegen, der die Menschen älter werden und damit Altersbeschwerden erleben lässt. Obendrein gibt es für nicht wenige wichtige Krankheiten keine zufriedenstellende Behandlung.
In dieser Lage nimmt der Mensch häufig zu Therapien Zuflucht, denen eine feste empirische Basis fehlt. Sie gründen sich vielmehr auf Dogmen, die oft zu komplexen Systemen verflochten sind. Durch ihr Alter und einen ihrer Vertreter, Paracelsus (Theophrastus von Hohenheim; 1493–1541), ehrwürdig ist die Signaturenlehre. Die Natur habe jede Pflanze mit einem äußeren Zeichen ihrer Heilkraft Paracelsusausgestattet: so die Distel mit Blättern wie Nadeln, zum Zeichen, „das kein besser kraut ist für den inwendigen stechen“, oder das SignaturenlehreSchöllkraut (Chelidonium majus) mit gelbem Saft zum Zeichen seiner Wirksamkeit bei Leberleiden. „Der nicht auß dem Signato Signo arzneyet / der ist kein Arzt.“ Die zahllosen Schöllkraut enthaltenden „Lebertherapeutika“ und „Gallenwegstherapeutika“ der mitteleuropäischen pharmazeutischen Industrie gehen auf die Signaturenlehre zurück.
Die Bach-Blütentherapie stammt von dem englischen Arzt Edward Bach (1886–1936). Quellwasser und die Blüten von 37 Pflanzen sind die Heilmittel. “They cure, not by attacking the disease, but by flooding our bodies with the Bach-Blütentherapiebeautiful vibrations of our Higher Nature, in the presence of which, disease melts away as snow in the sunshine.“ Impatiens glandulifera z.B., das Drüsige Springkraut, ist “the Remedy for those people who are quick in mind and action. (…) They tend to become impatient and sometimes irritable with those who are not as quick as they are. (…) The extreme mental tension often manifests itself as muscular tension and pain. (...) Impatiens is an effective Remedy for all manifestations of pain caused by tension such as a sudden cramp, an agonizing pain, or other spastic condition“ (P.M. Chancellor: Bach Flower Remedies. Saffron Walden 1990). Signaturenlehre und Bach-Blütentherapie – ein älteres und ein neueres Dogmengebäude.
Der deutsche Gesetzgeber hat im Sozialgesetzbuch V den Begriff „besondere Therapierichtungen“ geprägt. Er definiert den Begriff nicht, nennt aber beispielhaft die Homöopathie, die Phytotherapie und die anthroposophische Therapie. Die Signaturenlehre, die Bach-Blütentherapie, die Aromatherapie und die vielen anderen empirisch ungesicherten Therapiesysteme werden nicht erwähnt – Ausdruck einer Politik, die Interessen berücksichtigen muss, wenn sie weitverbreitet sind. Die Homöopathie, die Phytotherapie und die anthroposophische Pharmakotherapie werden im Folgenden kurz besprochen. „Dogmatische Therapieweisen“ bezeichnet ihr Wesen deutlicher als „besondere Therapierichtungen“. Im November 2011 gab es in Deutschland unter rund 62.000 verkehrsfähigen Arzneimitteln 7.000 homöopathische, 2.400 Phytopharmaka und 1.500 anthroposophische (www.bfarm.de).
Bessert sich das Befinden eines Kranken nach einer dogmengestützten Behandlung, beweist das dann das Dogma und begründet die Behandlung kritisch-empirisch? Natürlich keineswegs. Bei jeder Medikation wird der therapeutische Effekt durch zwei Komponenten verursacht, durch den Arzneistoff und durch die mit seiner Verordnung und Anwendung einhergehende Beeinflussung der Psyche des Patienten. Der Vergleich mit einem Placebo im Doppelblindversuch trennt die beiden Komponenten. An die Stelle dieser Differenzierung setzen aber die dogmatischen Arzneitherapien allzu oft Wörter wie „Arzneimittel-Organismus“ für das Pharmakon, „Heilkraft“ für das Wirkprinzip, „Harmonisierung“, „Umstimmung“ oder „flooding our bodies with the beautiful vibrations of our Higher Nature“ für den Mechanismus und den „ganzen Menschen“ für den Wirkort. Ulrichs Rechenschieber aus dem Mann ohne Eigenschaften, der ihn bei „großen Behauptungen“ erinnert: „Bitte einen Augenblick, wir wollen vorerst die Fehlergrenzen und den wahrscheinlichsten Wert von alledem berechnen“ – sein Rechenschieber sollte den Arzt zur Differenzierung ermuntern.

Homöopathie

Der Begründer der Homöopathie ist Samuel Hahnemann (1755–1843). Sein therapeutisches Konzept fußt auf zwei Dogmen, dem Simile-Prinzip und dem Prinzip der Gewinnung geistartiger HomöopathieHeilkraft durch die spezielle Zubereitung der homöopathischen Hahnemann:SamuelArzneistoffe.
Das Simile-Prinzip
Similia similibus curentur, dieses Axiom wurde von Samuel Hahnemann aufgrund von Erfahrungen am eigenen Leib formuliert. Er beschreibt sie folgendermaßen: „Ich nahm des Versuchs halber Simile-Prinzip, Homöopathieetliche Tage zweimahl täglich jedesmahl vier Quentchen gute China ein; die Füse, die Fingerspitzen u.s.w. wurden mir erst kalt, ich ward matt und schläfrig, dann fing mir das Herz an zu klopfen, mein Puls ward hart und geschwind; eine unleidliche Aengstlichkeit, ein Zittern (aber ohne Schauder), eine Abgeschlagenheit durch alle Glieder; dann Klopfen im Kopfe, Röthe der Wangen, Durst, kurz alle mir sonst beim Wechselfieber gewöhnlichen Symptomen erschienen nacheinander. (...) Dieser Paroxysm dauerte zwei bis drei Stunden jedesmahl, und erneuerte sich, wenn ich diese Gabe wiederholte, sonst nicht. Ich hörte auf, und ich war gesund“ (zitiert nach G. Bayr: Hahnemanns Selbstversuch mit der Chinarinde im Jahre 1790. Heidelberg 1989).
Chinarinde war als Mittel gegen das Wechselfieber, die Malaria, bekannt. Hahnemann schloss, dass ein Arzneimittel beim Gesunden fiebererzeugend wirken muss, wenn es bei einer fieberhaften Krankheit wirksam sein soll; und allgemein, dass ein Arzneimittel eine Krankheit zu heilen vermag, wenn es beim Gesunden „die meisten Symptome in Aehnlichkeit erzeugen zu können bewiesen hat “, beim Gesunden also ähnlich (similiter) wirkt. Das griechische Wort für „similis“ ist „homoios“; so ist die Homöopathie zu ihrem Namen gekommen.
Eine wichtige Aufgabe war und ist für die Homöopathie, die Wirkung jedes Arzneimittels beim Gesunden genau zu prüfen und ein Arzneimittelbild zu entwerfen, dem bei der Anwendung das Symptombild des Patienten zu ähneln hat.
Es gibt für das Simile-Prinzip keine biologische Basis.
Potenzierung
Hahnemann begründet in §§ 269 und 270 seines Organon der Heilkunst die homöopathische Arzneistoffzubereitung so: „Die homöopathische Heilkunst entwickelt zu ihrem besondern Behufe die innern, Potenzierung, Homöopathiegeistartigen Arzneikräfte der rohen Substanzen, (...) wodurch sie sämmtlich erst recht sehr, ja unermeßlich – ,durchdringend‘ wirksam und hülfreich werden, selbst diejenigen unter ihnen, welche im rohen Zustande nicht die geringste Arzneikraft im menschlichen Körper äußern. Diese merkwürdige Veränderung in den Eigenschaften der Natur-Körper, durch mechanische Einwirkung auf ihre kleinsten Theile, durch Reiben und Schütteln (während sie mittels Zwischentritts einer indifferenten Substanz, trockner oder flüssiger Art, von einander getrennt sind) entwickelt die latenten, vorher unmerklich, wie schlafend in ihnen verborgen gewesenen, dynamischen Kräfte, welche vorzugsweise auf das Lebensprinzip, auf das Befinden des thierischen Lebens Einfluß haben. Man nennt daher diese Bearbeitung derselben Dynamisiren, Potenziren (Arzneikraft-Entwickelung) und die Produkte davon, Dynamisationen, oder Potenzen in verschiednen Graden. (...) Durch diese mechanische Bearbeitung, wenn sie nach obiger Lehre gehörig vollführt worden ist, wird bewirkt, daß die, im rohen Zustande sich uns nur als Materie, zuweilen selbst als unarzneiliche Materie darstellende Arznei-Substanz, mittels solcher höhern und höhern Dynamisationen, sich endlich ganz zu geistartiger Arznei-Kraft subtilisirt und umwandelt.“
Hahnemanns Denken folgend, lassen homöopathische Ärzte Potenzen ihrer Arzneistoffe anfertigen, entweder, bei flüssigen Arzneistoffen, durch Zugabe von Alkohol-Wasser-Gemischen oder, bei festen Arzneistoffen, durch Verreibung mit Milchzucker. Eine sorgfältige Verreibung von Graphit mit Milchzucker z.B. dient nicht der Verdünnung im üblichen Wortsinn, sondern der „Dynamisation“. Der Vorschrift des Homöopathischen Arzneibuchs entsprechend dauert die Verreibung für jede Stufe mindestens eine Stunde. Bei Flüssigkeiten wird bei jeder Stufe mindestens 10-mal kräftig geschüttelt. Die Potenzierung (Verdünnung im üblichen Wortsinn) folgt in der Regel der Dezimalskala, 1 + 9 = 10 (D-Potenzierung), weniger häufig der Centesimalskala, 1 + 99 = 100 (C-Potenzierung). Bei der Potenz D6 beträgt die Konzentration des Arzneistoffs folglich 1 : 1.000.000. Das entscheidende Axiom ist die Zunahme der Wirksamkeit bei gleichzeitiger Verminderung der Konzentration. Für eine erfolgreiche Dynamisation ist es nach der Überzeugung der Homöopathen irrelevant, dass bei sogenannten Hochpotenzen über D23 hinaus wahrscheinlich kein einziges Molekül des Arzneistoffs mehr vorhanden ist.
Wie für das Simile-Dogma gibt es für die Potenzierung keine biologische Basis.
Anwendung
Nach dem deutschen Arzneimittelgesetz muss jedes Fertigarzneimittel entweder zugelassen oder registriert sein. Für fast alle Fertigarzneimittel gilt die Zulassungspflicht. Für die Zulassung müssen pharmazeutische Qualität, Unbedenklichkeit und therapeutische Wirksamkeit nachgewiesen sein (§ 25). Die einzige Ausnahme bilden die homöopathischen Arzneimittel: Für sie genügt eine Arzneimittel(therapie):homöopathischeRegistrierung, zu der zwar pharmazeutische Qualität und Unbedenklichkeit nachgewiesen werden müssen, nicht aber Homöopathikadie therapeutische Wirksamkeit (§ 39).
Nach Hahnemann verspricht die Registrierung:HomöopathikaHomöopathie bei allen Krankheiten Hilfe, der Chirurgie vorbehaltene und akute Notfälle ausgeschlossen. Auch ein homöopathischer Arzt wird sich um eine Diagnose im üblichen Sinne bemühen. Noch wichtiger ist für ihn aber ein möglichst komplettes Bild der Beschaffenheit des Kranken, mit Art, Lokalisation, Zeit- und Umstandsabhängigkeit der Krankheitssymptome, Familienanamnese, sozialer Anamnese, Konstitution, Körperhaltung, Zahnstatus und vielem anderen mehr: Es gilt das Symptombild des individuellen Kranken so detailliert zu erschließen, dass nach der Simile-Regel ein Arzneistoff ausgewählt werden kann, dessen Arzneibild sich mit dem Symptombild deckt.
So gehören zum Arzneibild von Atropa belladonna „Fieber lebhaft (...) Puls beschleunigt, voll (...) Frostgefühl bei kalten Händen und Füßen (...) Lymphdrüsenschwellung besonders am Hals (...) Haut heiß, rot, brennend, glatt und glänzend, scharlachartig“. Das Bild stimmt weitgehend mit dem Wissen der Pharmakologie zur Wirkung hoher, toxischer Atropindosen überein (Kap. 3.3.5). Aus der Simile-Regel folgt die Indikation Scharlach, zu dem ein Kompendium in charakteristischer Symptombild-Arzneibild-Gegenüberstellung schreibt: „Die bewährtesten Mittel sind: Belladonna (…), das wohl so ziemlich alle Symptome des Scharlachs aufweist und Hauptmittel bleibt, bis zur Abschuppung …“ (K. Stauffer: Homöotherapie. 2. Nachdruck. Regensburg 1982).

Phytotherapie

Die Phytotherapie ist in der Pharmakotherapie von überragender Bedeutung – man denke etwa an die Solanaceen-Alkaloide, die Methylxanthine, die Schlafmohninhaltsstoffe, die herzwirksamen Glykoside, die laxierenden PhytotherapieQuellstoffe und Anthrachinon-Glykoside, die Antibiotika, das Chinin und Chinidin, die zytostatischen Vinca-Alkaloide, das Paclitaxel und das Ciclosporin. Die Pharmakotherapie wäre arm ohne Phytotherapie.
Manche pharmazeutischen Firmen und Ärzte möchten den Begriff jedoch auf Pflanzenextrakte einengen, die die „ursprüngliche Substanzkomposition“ der Pflanze enthalten, und schreiben solchen Kompositionen über die Naturwissenschaft hinausgehende Wirkungsmöglichkeiten zu. Hier beginnen Dogma und PflanzenextrakteBegriffsverwirrung. Es zerstört jede Extraktion die ursprüngliche Zusammensetzung, übrigens bereits – und zwar drastisch – die Trocknung, und je nach Extraktionsmittel (etwa Wasser oder Ethanol) resultiert eine ganz verschiedene Extraktion:PhytotherapieStoffmischung.
Zwischen der Behandlung mit einem Rohextrakt und der Behandlung mit einem – aus Pflanzen extrahierten oder im Labor synthetisierten – reinen Inhaltsstoff gibt es fließende Übergänge. Phytotherapie kann realistischerweise nur heißen Therapie mit Pflanzlichem, vom – so oder so hergestellten – „Gesamtextrakt“ bis zur Reinsubstanz. Mit Recht behandeln darum realistischere Werke zur Phytotherapie unter Plantago ovata, einer unserem Wegerich verwandten indischen Pflanze, die ganzen Samen, die reich an Schleim sind und wie Leinsamen als Quellmittel verwendet werden können; unter Nerium oleander, dem Oleander, Plantago ovataExtrakte, die vor allem das Herzglykosid Oleandrin enthalten und tierexperimentell auf eine bestimmte Herzwirksamkeit eingestellt sind (Kap. 17.2.4); und unter Colchicum autumnale, der Herbstzeitlosen, fast ausschließlich das reine Alkaloid OleandrinColchicin (Kap. 24.3.2).
Man sollte jeder potentiellen Heilpflanze die Höflichkeit erweisen, sie kritisch-empirisch ernst zu nehmen mit ihren für den Menschen nützlichen und schädlichen Eigenschaften.

Anthroposophische Arzneitherapie

ColchicinDie Anthroposophie geht auf Rudolf Steiner (1861–1925) zurück. Gnostisches, christliches und fernöstliches Gedankengut aufgreifend, lernte er die unoffenbare, geheime AnthroposophieWelt hinter der sichtbaren sehen. Außer seinem physischen Leib habe der Mensch Steiner:Rudolfeinen Ätherleib, einen Astralleib und das Ich – mit „Geistesaugen“ könne der „Geheimforscher“ des Menschen viergliedrige Wesenheit erfahren. Steiner und seine Schüler entwickelten auf der Grundlage dieser „Geisteswissenschaft“ auch eine anthroposophische Medizin mit anthroposophischen Arzneimitteln.
Hier sei nur die bekannteste anthroposophische Pharmakotherapie erwähnt, die Behandlung von Malignomen mit Präparaten der Arzneimittel(therapie):anthroposophischeMistel (Viscum; z.B. Iscador®). Der physische Leib des Menschen werde durch den Ätherleib gestaltet. Eine Geschwulst entstehe, wenn ein Teil Mistelpräparate:Malignomtherapiedes physischen Leibes sich dieser Gestaltung entziehe. Therapeutisch müsse man dem ViscumÄtherleib auf diesen Teil des physischen Leibes wieder Einfluss verschaffen. In einem Vortrag begründete Steiner die Mistel-Indikation. Mit ihrem Wachstum auf Bäumen, ihrer Blüte fast noch im Winter, ihrem Sich-Schützen vor der Sommersonne im Laub der Wirtsbäume eigne sich die Mistel besondere Kräfte an. Abbildung 1.71 zeigt Steiners Original.
Die Anthroposophie ist im Biologisch-Medizinischen wie im Kosmologischen ungemein detailreich. Wer ihre therapeutischen Empfehlungen versuchen will, sollte auch ihre allgemein-biologischen Aussagen prüfen, wie etwa, das Herz sei keine Pumpe, kein tätiges Organ, sondern werde passiv vom Blutstrom bewegt; die sogenannten motorischen Nerven seien in Wirklichkeit sensorisch und nähmen die Bewegungen der Glieder wahr; und die graue Gehirnsubstanz diene vor allem der Ernährung des Gehirns, die eigentliche Denksubstanz sei die weiße – überraschende Thesen, schwierig zu beurteilen vor allem deswegen, weil dunkel bleibt, inwieweit die Worte im üblichen Sinn gebraucht sind.

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Vorstand und Wissenschaftlicher Beirat der Bundesärztekammer

Vorstand und Wissenschaftlicher Beirat der Bundesärztekammer Arzneibehandlung im Rahmen „besonderer Therapierichtlinien 1993 Deutscher Ärzte-Verlag Köln

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