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Differenzierte Risikobetrachtung: Cumarine in pflanzlichen Arzneimitteln

ORIGINALIA

 
Differenzierte Risikobetrachtung

Cumarine in pflanzlichen Arzneimitteln

Von Dieter Loew1, Hermann Hauer2 und Egon Koch1

 

In jüngster Zeit wird gehäuft über Risiken von Cumarin-haltigen Nahrungsmitteln und pflanzlichen Arzneimitteln berichtet. Ziel dieses Reviews ist es, eine Übersicht zur Chemie, Pharmakologie und Toxikologie dieser Stoffgruppe zu geben.

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Zusammenfassung

 

Grundsätzlich ist festzuhalten, dass zwischen dem Grundkörper und den zahlreichen Cumarinvarianten in Abhängigkeit vom Substitutionsmuster große Unterschiede in den physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften bestehen. Deutliche Abweichungen existieren außerdem hinsichtlich der Metabolisierung von Cumarin bei verschiedenen Tierspezies und beim Menschen. Auf der Basis dieser Besonderheiten wird eine differenzierte Bewertung am Beispiel eines pflanzlichen Arzneimittels vorgenommen, des Spezialextraktes EPs® 7630 aus Wurzeln von Pelargonium sidoides (enthalten in Umckaloabo® zur Behandlung akuter Atemwegsinfektionen), für den in umfassenden Toxizitätsstudien bei Ratte und Hund ein Sicherheitsfaktor von mehr als 200 bezüglich des No-observed Effekt-Levels (NOEL) mit der beim Menschen therapeutisch angewandten Dosis ermittelt wurde. Da der Extrakt ausschließlich 7-Hydroxycumarinderivate enthält, die grundsätzlich als toxikologisch unbedenklich gelten, fanden sich keinerlei Hinweise auf ein hepatotoxisches Potenzial. Außerdem konnte experimentell und klinisch ein Einfluss auf die plasmatische Gerinnung ebenso ausgeschlossen werden, wie eine mögliche pharmakokinetische oder pharmakodynamische Wechselwirkung mit Warfarin.


Anschrift der Verfasser: 1) Professor Dr. Dieter Loew, Am Allersberg 7, 65191 Wiesbaden; 2) Dr. Egon Koch und Dr. Hermann Hauer, Dr. Willmar Schwabe Arzneimittel, Willmar-Schwabe-Straße 4, 76227 Karlsruhe


PZ-Originalia

In der Rubrik Originalia werden wissenschaftliche Untersuchungen und Studien veröffentlicht. Eingereichte Beiträge sollten in der Regel den Umfang von zwei Druckseiten nicht überschreiten und per E-Mail geschickt werden. Die PZ behält sich vor, eingereichte Manuskripte abzulehnen. Die veröffentlichten Beiträge geben nicht grundsätzlich die Meinung der Redaktion wieder.


Einleitung

 

Im Zeitalter der Evidenz-basierten Medizin sollten nicht nur für Empfehlungen zur Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit, sondern auch für Aussagen zu unerwünschten Arzneimittelwirkungen korrekte Angaben und wissenschaftlich fundierte Bewertungen gelten. Nichts verwirrt und verunsichert die Bevölkerung mehr als populistisch aufgemachte beängstigende Meldungen in den Medien. Dies gilt ebenso für Ärzte und Patienten, wenn in der medizinischen Fachpresse über schwerwiegende Nebenwirkungen von Arzneimitteln und insbesondere von Phytopharmaka berichtet wird. Erinnert sei an die vor Jahren diskutierten mutagenen und karzinogenen Wirkungen von Anthrachinon-haltigen Laxanzien und die Hepatotoxizität von Schöllkraut, Kava-Extrakten sowie Cumarin-haltigen Lebens- und Arzneimitteln. Dabei handelt es sich oft um ephemere Mitteilungen, die einer sorgfältigen Überprüfung nicht standhalten. Häufig tauchen Fragen und Widersprüche auf, zum Beispiel wie gut sind die Nebenwirkungen dokumentiert, ist ein kausaler Zusammenhang plausibel, handelt es sich bei den mitgeteilten Fällen um obligate oder um fakultative Effekte, das heißt um idiosynkratische Einzelfälle? Nicht selten scheint auch ein ausgeprägtes Publikationsbedürfnis eine entscheidende Rolle zu spielen, wenn mit provokativem Titel über einen Einzelfall berichtet wird (Musch et al., 2006) und sich in nachträglichen Stellungnahmen sachliche und fachliche Ungereimtheiten herausstellen (Loew et al., 2006). Zu Recht haben Teschke et al. (Teschke et al., 2006) im Deutschen Ärzteblatt ein besseres, objektiveres und stufenweises Vorgehen bei der Kausalitätsermittlung von unerwünschten Arzneimittelwirkungen gefordert und vor der Generierung zweifelhafter Ad-hoc-Hypothesen gewarnt. Auch international werden deshalb Leitlinien für die Veröffentlichung von Nebenwirkungen gefordert (Kelly et al., 2007). Am Beispiel der Cumarin-Diskussion soll diese Problematik näher erläutert werden.

 

Was ist Cumarin?

 

Cumarin (CAS-Nr. 91-64-5) ist nach der IUPAC-Nomenklatur das Synonym für 2H-1-Benzopyran-2-on, das zyklische Lakton einer entsprechenden o-Hydroxyzimtsäure (Hänsel & Sticher, 2004). Es ist ein in zahlreichen Pflanzenarten natürlich vorkommender sekundärer Inhaltsstoff, der bereits 1822 aus den Samen der Tonkabohnen (spanisch cumarú), einem in Guayana heimischen Baum (Coumaruona odorata), isoliert wurde (Hänsel & Sticher, 2004). Die Früchte haben einen Cumaringehalt von etwa 2 bis 3 Prozent. Cumarin findet sich aber auch in Gräsern (zum Beispiel Wohlriechendes Mariengras oder Wohlriechendes Ruchgras), in Schmetterlingsblütlern (zum Beispiel Steinklee), in Rötegewächsen (zum Beispiel Waldmeister) und in hohen Konzentrationen in ätherischen Ölen, wie zum Beispiel Zimt- oder Pfefferminzöl. Während die Rinde des Cassia-Zimtbaumes etwa 0,3 Prozent Cumarin enthält, ist Ceylon-Zimt weitgehend cumarinfrei (Abraham, 2007). In kleinen Mengen ist Cumarin in Lebensmitteln wie Aprikosen, Brombeeren, Erdbeeren, Datteln, Kirschen sowie in Gartenkräutern wie Salbei, Dill und Kamille enthalten. (Hänsel & Sticher, 2004; Abraham, 2007; Classen, 1994; Hagers Handbuch, 1992). Cumarin liegt im frischen Pflanzenmaterial gewöhnlich nicht in freier Form vor, sondern entsteht aus 2-O-(β-D-Glucosyl)cumarsäure. Das Glykosid wird beim Welken unter dem Einfluss einer Glukosidase gespalten und die freie Cumarsäure zyklisiert anschließend spontan zum Laktonring des Cumarins (Schneider, 1990; Lake, 1999).

 

Cumarinderivate

 

Cumarin ist die Stammverbindung von mehr als 3000 natürlichen Derivaten, die in vielen Pflanzen in zahlreichen Variationen nachgewiesen wurden (Booth et al., 2004). Neben Hydroxycumarinen sind Furanocumarine und die Dihydropyranocumarine weitere wichtige Verbindungen.

 

7-Hydroxycumarin (Umbelliferon) ist das mit Abstand häufigste Cumarinderivat. Zusätzliche Hydroxylierungen an sämtlichen C-Atomen des Grundkörpers kommen natürlicherweise vor, wobei Hydroxyreste auch als Methyl- oder Isoprenylether sowie als Glykoside oder Sulfate vorliegen können. Daneben sind C-Isopren-Substitutionen und C-Methylierungen üblich (Schneider, 1990; Booth et al., 2004). Basierend auf unterschiedlichen Substitutionsmustern liegen Cumarine in verschiedenen Polaritätsstufen vor (Hänsel & Sticher, 2004) und zwar zum Beispiel als hydrophile Hydroxycumarinenaglyka (zum Beispiel Umbelliferon, Aesculetin) beziehungsweise -glykoside (zum Beispiel Cichoriin, Aesculin) und als lipophile Cumarine mit terpenoiden Resten (zum Beispiel Bergamottin, Umbelliprenin).

 

Wegen des würzig-aromatischen Geruchs wird synthetisch hergestelltes Cumarin unter anderem in der Parfüm- und Tabakindustrie als Duft- beziehungsweise Geschmacksstoff eingesetzt und in Form von Cumarin-haltigen Naturstoffen zum Aromatisieren von Getränken und Konfekt verwendet.

 

Aufgrund der zahlreichen Substitutionsmöglichkeiten repräsentieren Cumarine eine Substanzklasse mit einer extrem großen chemischen Variabilität, mit vielfältigen biologischen Aktivitäten und klinischen Anwendungen (siehe dazu Tabelle). So wurden in pharmakologischen Untersuchungen für Cumarine unter anderem antiinflammatorische, antioxidative, antiallergische, hepatoprotektive, antithrombotische, antivirale und antitumoröse Eigenschaften nachgewiesen (Kostava, 2005). Die therapeutische Anwendung von Cumarin umfasst die Behandlung von Lymphödemen und von chronischer Veneninsuffizienz. Wegen immunmodulierenden und antitumorösen Eigenschaften werden Cumarin und Cumarinderivate außerdem zur Behandlung von Nieren- und Prostatakarzinomen sowie von malignem Melanom klinisch geprüft (Naser-Hijazi et al., 2003). Am weitesten verbreitet ist der Einsatz von chemisch-synthetischen 4-Hydroxycumarin-Verbindungen als Antikoagulanzien zur Hemmung der Blutgerinnung im Rahmen der Prophylaxe und Therapie von venösen und arteriellen Thrombosen (Loew, 2001). Verwendet werden Monocumarole (zum Beispiel Warfarin-Coumadin®, Phenprocoumon-Marcumar®, Acenocoumarol-Sintrom®) und Dicumarole (zum Beispiel Bishydroxycoumarin-Dicumarol®, Ethylbiscoumacetat-Tromexan®). Durch ihre Vitamin-K-antagonistische Wirkung hemmen diese Cumarine die Aktivierung mehrerer Gerinnungsfaktoren (Suttie et al., 1984; Piertzik et al., 2008) und bewirken dadurch eine Verlängerung der Gerinnungszeit (»Quick-Wert«; INR-Wert). Voraussetzungen für den Vitamin-K-Antagonismus von Cumarinen sind eine Hydroxylierung in der C-4-Stellung und ein lipophiler Rest an C-3, durch den die Bioverfügbarkeit verbessert wird (Majerus et al., 2001). Dieses Beispiel demonstriert, dass eine enge Abhängigkeit zwischen der Struktur und den biologischen Eigenschaften von Cumarinen besteht, die eine Generalisierung sowohl von pharmakologischen als auch toxischen Effekten ausschließt.


Pharmakologische Wirkungen und prophylaktische beziehungsweise therapeutische Anwendungen von Cumarin und Cumarinderivaten

Wirkung Anwendung 
lymphokinetisch Lymphödem 
antiphlogistisch, antiexsudativ, antiödematös,  chronische Veneninsuffizenz 
vasodilatorisch koronare Herzkrankheit (KHK) 
bronchospasmolytisch, antiallergisch Asthmaprophylaxe, Rhinitis 
hepatoprotektiv, antiviral chronische Hepatitis B, C 
cytostatisch, cytotoxisch, proapoptotisch, antitumorös Nierenkarzinom, malignes Melanom, Prostatakarzinom 
Hemmung epidermaler DNS-Synthese Psoriasis 
Stimulation von Melanozyten und Tyrosinase Vitiligo 
antikoagulatorisch venöse Thrombose, arterielle Verschlußkrankheit, Herzrhythmusstörungen, Herzklappenersatz 

Historisch ist hierzu anzumerken, dass in den 20er-Jahren des letzten Jahrhunderts im Norden der USA und Kanada nach Verfüttern von verdorbenem oder siliertem Steinklee bei Rindern schwere Blutungen mit tödlichem Ausgang auftraten (»sweet-clover disease«). Als Ursache wurde das 3,3-Methylen-bis(4-hydroxycumarin), besser bekannt als Dicumarol, identifiziert, das im nativen Steinkleekraut nicht vorkommt und nicht aus Cumarin, sondern aus der o-Dihydrocumarsäure (Melilotsäure) unter dem Einfluss von Schimmelpilzen entsteht. Cumarin selbst ist keine Vorstufe der mikrobiellen Dicumarolbildung (Hänsel & Sticher, 2004).

 

Toxikologie von Cumarin

 

Der Verdacht auf gesundheitsschädliche Wirkungen von Cumarin geht in die Mitte des letzten Jahrhunderts zurück, als bei Ratten und Hunden in toxikologischen Untersuchungen Vergrößerungen, fokale Nekrosen und Fibrosen der Leber sowie Gallengangsproliferationen beobachtet wurden. Im Gegensatz dazu scheinen andere Tierspezies weitgehend resistent gegenüber hepatotoxischen Effekten von Cumarin zu sein (SCF, 1994).

 

Klare Hinweise auf eine Leberschädigung durch Cumarin fanden sich bei Ratten nach der Verfütterung (87-125 mg/kg/Tag) (SCF, 1994) oder nach der direkten oralen Verabreichung (25 mg/kg/Tag) (Cohen, 1979; US Department, 1992). In Langzeitstudien traten bei Sprague-Dawley Ratten beiderlei Geschlechts nach Verfütterung von 230-340 mg/kg/Tag außerdem Leberparenchym- und Gallengangskarzinome auf, bei niedrigeren Dosen wurden allerdings keine Tumore beobachtet. Bei F344 Ratten kam es nach Verabreichung von 25, 50 und 100 mg/kg/Tag (US Department, 1992) dosisabhängig zu chronischen Nierenschäden und renalen Adenomen ab 25 mg/kg/Tag bei männlichen und 50 mg/kg/Tag bei weiblichen Ratten. Andererseits wurden bei CD1-Mäusen nach Verfütterung von bis zu 280 mg/kg/Tag über zwei Jahre und bei Hamstern von circa 600 mg/kg/Tag keine Leberschäden oder Leberkarzinome registriert. Bei B6C3F1-Mäusen traten jedoch nach oraler Verabreichung von 50, 100 und 200 mg/kg/Tag dosis- und geschlechtsabhängig unterschiedliche Effekte, wie zum Beispiel zentrolobuläre Hypertrophie und eosinophile Herde in der Leber sowie hepatozelluläre und pulmonale Adenome in Erscheinung. Während diese Veränderungen bei beiden Geschlechtern nachweisbar waren, wurden bei weiblichen Tieren außerdem Lungenkarzinome beobachtet (Cohen, 1979).

 

Bei Hunden war die Gabe von 25 mg/kg/Tag Cumarin hepatotoxisch, nicht aber eine Dosis von 10 mg/kg/Tag (Cohen, 1979). Hinweise auf leichte biochemische, histochemische oder ultrastrukturelle Veränderungen wurden bei einer begrenzten Zahl von Primaten nach oraler Gabe von 50-100 mg/kg für drei Wochen beziehungsweise Verfütterung von 67,5 mg/kg über zwei Jahre festgestellt (Cohen, 1979; Pulsford et al., 1983); histologisch konnten aber keine Leberschäden nachgewiesen werden.

 

Cumarin erwies sich in In-vitro-Tests mit und ohne metabolische Aktivierung und in verschiedenen In-vivo-Versuchen nicht als mutagen oder genotoxisch (SCF, 1994; Cohen, 1979; US Department, 1992; SCF, 1999; Coumarin Question number EFSA-Q-2003-118, 2004; Beamand, 1998; Sasaki et al., 1989; Lake et al., 1996). Ein zunächst geäußerter Verdacht der Genotoxizität wurde durch weitere Untersuchungen insofern entkräftet, als Cumarin zu keiner kovalenten DNA-Addukt-Bildung in Leber und Nieren von Ratten führt und damit keine genotoxische Tumorinduktion auslöst (Coumarin Question number EFSA-Q-2003-118, 2004). Diese Befunde wurden durch einen negativen UDS-Test an Rattenhepatozyten und einen negativen Mikronukleustest bei der Maus untermauert. Auf der Grundlage dieser Daten ist davon auszugehen, dass die Tumorbildung bei der Ratte durch eine anhaltende regenerative Hyperplasie auf der Basis einer chronischen Hepatotoxizität ausgelöst wird (Coumarin Question number EFSA-Q-2003-118, 2004).

 

Umfangreiche Erfahrungen zu unerwünschten Ereignissen von Cumarin liegen aus der therapeutischen Anwendung und klinischen Prüfungen vor. Die empfohlenen Dosierungen reichen von etwa 8 mg für die Behandlung einer chronischen Veneninsuffizienz bis zu 7000 mg/Tag bei Tumorerkrankungen (Lake et al., 1999; Felter et al., 2006). Unerwünschte Nebenwirkungen wurden nur bei der Einnahme hoher Cumarin-Dosen beobachtet und äußerten sich in Symptomen wie Schwindel, Übelkeit, Diarrhö und Erbrechen. Das Auftreten von Leberfunktionsstörungen und insbesondere von hepatotoxischen Effekten ist selten. In einer Studie mit mehr als 2000 Patienten kam es unter der Behandlung mit Cumarin (25 bis 2000 mg/Tag) über einen Zeitraum von bis zu zwei Jahren bei 0,37 Prozent der behandelten Fälle zu Erhöhungen von Leberenzymen, die sich nach Absetzen ohne organpathologischen Befund normalisierten (Cox et al., 1989). In einer anderen Studie mit 1106 Lymphödempatienten, die mit 400 mg Cumarin durchschnittlich 14,6 Monaten behandelt worden waren, kam es lediglich in zwei Fällen zu Leberfunktionsstörungen. In Studien mit insgesamt 158 Tumorpatienten, die 100 mg Cumarin, teilweise in Kombination mit Cimetidin einnahmen, wurden in keinem Fall hepatotoxische Nebenwirkungen beobachtet, ebenso nicht bei Lymphödempatienten unter der Kombination von 200 mg/Tag Cumarin mit Diethylcarbamazin. In einer umfassenden Analyse von mehr als 50 Studien mit Cumarin aus acht Ländern wurde nur bei 0,3 Prozent der Probanden eine Veränderung von Leberenzymen beobachtet (Lake et al., 1999; Felter et al., 2006). Hierbei ist zu beachten, dass erhöhte Leberenzymwerte nicht zwangsläufig Zeichen einer Leberschädigung sind. Durch zelluläre Adaptation kommt es im Rahmen der Biotransformation von Xenobiotika zur Membranhyperplasie des glatten endoplasmatischen Retikulums mit erhöhtem Zellumsatz. Die Grenze von adaptiven und alterativen Leberveränderungen ist oft unscharf (Kuntz & Kuntz, 1998).

 

Insgesamt demonstrieren die klinischen Daten, dass unter der Behandlung mit Cumarin-haltigen Präparaten in Einzelfällen nach Wochen oder Monaten Leberfunktionsstörungen auftreten können, ohne dass eine klare Dosisabhängigkeit besteht. Nach Absetzen der Therapie, teilweise aber sogar bei weiterer Einnahme der Cumarin-haltigen Arzneimittel normalisierten sich erhöhte Leberwerte. Permanente Schädigungen wurden nicht beobachtet. Für Steinkleeextrakte, die unter anderem Cumarin und 3,4-Dihydroxycumarin enthalten, wurde von der Kommission 109a beim BfArM für die traditionelle Anwendung »zur Besserung des Befindens bei müden Beinen« eine maximale Tagesdosis von 5 mg Cumarin als unbedenklich erachtet (BGA, 1994).

 

Für die am häufigsten vorkommenden natürlichen 7-Hydroxycumarinderivate finden sich in der Literatur keinerlei Hinweise auf lebertoxische Wirkungen, vielmehr werden diese Substanzen grundsätzlich als nicht hepatotoxisch angesehen (Schneider, 1990). Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen möglichen hepatotoxischen Effekten von Cumarin gibt es Hinweise, dass Umbelliferone (7-Hydroxycumarinderivate) sogar über hepatoprotektive Eigenschaften verfügen. Produkte, die 4-Methylumbelliferon enthalten, werden seit den 1990er-Jahren in den USA und Europa als Nahrungsergänzungsmittel zur Verbesserung der Leberfunktion angeboten und teilweise aufgrund ihrer spasmolytischen und choleretischen Wirkung auch als Arzneimittel verwendet. Auf der Grundlage der Berichte über leberschützende, entzündungshemmende, antimikrobielle und antivirale Eigenschaften von 4-Methylumbelliferon wird gegenwärtig an der University of Texas eine klinische Phase-II-Studie bei Patienten mit chronischer Hepatitis B und C durchgeführt.

 

Pharmakokinetik von Cumarin

 

Über pharmakokinetische Untersuchungen mit Cumarin bei verschiedenen Tierspezies und beim Menschen sowie Metabolismusstudien in vitro wird in einer großen Zahl von Veröffentlichungen berichtet. Aus den vorliegenden Ergebnissen wird deutlich, dass zwischen unterschiedlichen Tierarten beträchtliche Unterschiede bestehen. Beim Menschen wird Cumarin nach oraler Einnahme nahezu vollständig aus dem Gastrointestinaltrakt resorbiert, unterliegt aber einen ausgeprägten First-Pass-Metabolismus in der Leber, sodass nur etwa 2 bis 6 Prozent der aufgenommen Dosis die systemische Zirkulation unverändert erreichten. Unter Katalyse von CYP2A6 wird Cumarin vorwiegend zu 7-Hydroxycumarin (7-HC) verstoffwechselt, das nach Konjugation mit Glucuronid oder Sulfat renal ausgeschieden wird (Lake, 1999). Die Halbwertszeit nach intravenöser beziehungsweise oraler Gabe von Cumarin betrug 0,8 beziehungsweise 1,2 h und für 7-HC 1,5 beziehungsweise 1,2 h. (Ritschel et al., 1977; Ritschel et al., 1979).

 

Während die 7-Hydroxylierung auch bei Altweltprimaten überwiegt (Ritschel et al. 1988), ist dieser Stoffwechselweg bei vielen Tierspezies nur von geringer Bedeutung. Bei Ratte, Maus oder Hund ist zum Beispiel die Bildung von Cumarin-3,4-Epoxid vorherrschend, aus dem nachfolgend Ring-geöffnete Verbindungen wie o-Hydroxyphenylethanol (o-HPE), o-Hydroxyphenylacetaldehyd (o-HPA) und o-Hydroxyphenylessigsäure (o-HPAA) entstehen. Da 7-HC unter alkalischen Bedingungen sehr stark fluoresziert und deshalb relativ einfach nachgewiesen werden kann, wird diese Verbindung häufig für Metabolismusstudien bei verschiedenen Spezies verwendet. Repräsentative Daten, aus denen die Unterschiede in der 7-Hydroxylierung von Cumarin bei verschiedenen Tierarten deutlich werden, sind im Kasten auf dieser Seite zusammengestellt.

 

Die bei Ratte und Hund festgestellte Hepatotoxizität steht ganz offensichtlich in Verbindung mit der Bildung von Cumarin-3,4-Epoxid, ein Stoffwechselweg der beim Menschen nicht oder nur von sehr untergeordneter Bedeutung ist. Vielmehr erfolgt beim Menschen die Metabolisierung von Cumarin vorwiegend über Bildung des nicht toxischen 7-HC (Classen, 1994; Lake, 1999) (siehe dazu Abbildung; nur in der Druckausgabe). Ursprünglich machte man das aus 3-HC gebildete o-HPA, das durch spontane Umwandlung aus dem Zwischenprodukt Cumarin-3,4-Epoxid entsteht, für die lebertoxische Wirkung verantwortlich (Born et al., 1998a; Born et al., 1998b). Bei der Maus wurden jedoch ähnliche Epoxid-Konzentrationen ohne entsprechende Hepatotoxizität festgestellt. Es besteht deshalb der Verdacht, dass die Lebertoxizität nicht ausschließlich mit der Bildung von Cumarin-3,4-Epoxid und den daraus gebildeten o-HPA, o-HPE und o-HPAA in Verbindung steht, sondern die Anfälligkeit der Ratte für eine durch Cumarin vermittelte Lebertoxizität wahrscheinlich durch ein ungünstiges Gleichgewicht zwischen Bioaktivierung und Detoxifizierung bestimmt wird. Im Gegensatz zu den meisten anderen Spezies werden bei der Ratte Cumarin-Metaboliten nämlich vorwiegend über die Galle und nicht renal ausgeschieden, was ganz offensichtlich zur Hepatotoxizität bei dieser Spezies wesentlich beiträgt. Die Ratte gilt damit grundsätzlich als nicht geeignet für eine Risikoabschätzung von Cumarin beim Menschen (Lake, 1999; Coumarin Question, 2004).

 

Während der Mensch Cumarin vorrangig über CYP2A6 zu 7-HC hydroxyliert, besteht bei Personen bestimmter ethnischer Herkunft ein Defizit für diesen Stoffwechselweg, der offenbar auf einem genetischen Polymorphismus für CYP2A6 beruht (Fernandez-Salguero et al., 1995, Hadidi H. et al., 1998). Nach Inkubation von Cumarin mit humanen Lebermikrosomen beziehungsweise im Urin gesunder Probanden wurde o-HPAA und o-HPA als Metaboliten identifiziert (Hadidi et al., 1998). Obwohl bisher kein Zusammenhang zwischen der 7-Hydroxylierung und der Hepatotoxizität besteht, können eine erhöhte Bildung von Cumarin-3,4-Epoxid und ein Risiko für Leberschädigungen bei diesen Personen nicht restlos ausgeschlossen werden.

 

Das Cumarin-Problem

 

Wegen möglicher hepatotoxischer Eigenschaften wurde die direkte Verwendung von Cumarin als Lebensmittelzusatzstoff in den USA bereits im Jahre 1954 verboten. Entsprechend dem Anhang II der EU-Richtlinie 88/388/EWG (EEC, 1988) darf Cumarin in natürlicher Form oder als Folge des Zusatzes von Aromen, die aus natürlichen Ausgangsstoffen gewonnen wurden, nicht in Konzentrationen von mehr als 2 mg/kg in Lebensmitteln enthalten sein. Ausnahmen mit höheren Gehalten gelten für bestimmte Karamellsüßwaren und alkoholische Getränke (10 mg/kg) sowie Kaugummi (50 mg/kg).

 

Auf europäischer Ebene existieren Stellungnahmen des früheren Scientific Commitee on Food (SCF) der europäischen Kommission von 1994 (SCF, 1994) und 1999 (SCF, 1999) zur Hepatotoxizität, Genotoxizität und Karzinogenität von Cumarin, die vom Panel on Additives, Flavourings, Processing Aids and Materials in Contact with Food (AFC) der EFSA 2004 (Coumarin Question, 2004) nach Neubewertung und der Feststellung eines nicht-genotoxischen Wirkungsmechanismus der Tumorinduktion übernommen wurden. Da eine klare Dosisabhängigkeit und ein »no-observed adverse effect level« (NOAEL) für den leberschädigenden Effekt von Cumarin nachgewiesen werden konnten, wurde ein »tolerated daily intake (TDI)-Wert« abgeleitet. Aus dem NOAEL für die Hepatotoxizität von 10 mg/kg KG beim Hund, der Spezies mit der höchsten Sensibilität gegenüber den lebertoxischen Effekten von Cumarin, wurde unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors von 100 (Faktor 10 für speziesspezifische Variationen und Faktor 10 für Abweichungen zwischen einzelnen Menschen) ein TDI-Wert von 0,1 mg/kg KG Cumarin festgelegt (Coumarin Question, 2004). Bei einer Person mit einem Körpergewicht von 60 kg wird also die lebenslange Aufnahme von täglich 6 mg Cumarin als gesundheitlich unbedenklich angesehen.

 

Die maximale tägliche Aufnahme von Cumarin beim Menschen mit der Nahrung wird mit etwa 4,1 mg kalkuliert, als eher realistisch wird aber ein täglicher Verzehr von nur etwa 1,3 bis 1,5 mg angesehen (Coumarin Question, 2004). Auf der Grundlage konservativer Abschätzungen der Aufnahme anhand der aktuell zulässigen Höchstkonzentrationen in Lebensmitteln ist demnach davon auszugehen, dass die über die Nahrung aufgenommenen Cumarin-Mengen den TDI-Wert (0,1 mg/kg) nicht überschreiten. In einem Übersichtsartikel kalkulieren die Autoren sogar eine orale Referenzdosis (RfD) von 0,64 mg/kg (Felter et al., 2006). Der RfD-Wert entspricht ebenfalls der täglichen lebenslangen Dosis einer Substanz die als gesundheitlich unbedenklich angesehen wird.

 

Restriktionen für cumarinhaltige Arzneimittel, die wie zum Beispiel Steinkleekrautextrakt vorrangig bei Lymphödemen und chronischer Veneninsuffizienz angewendet werden (Marshall & Loew, 2003), erfolgten wegen tierexperimenteller Hinweise auf Leber- und Nierenkarzinome in Deutschland im Jahre 1994 mit Einleitung eines Stufenplanverfahrens (BGA, 1994) und beinhalteten eine Begrenzung der Tagesdosis auf maximal 5 mg bei der traditionellen Anwendung nach § 109a. Die Diskussion zu Cumarin entflammte erneut im Spätsommer 2006, als Ergebnisse von Untersuchungen durch die Chemischen Landes- und Staatlichen Veterinäruntersuchungsämter in Münster und Stuttgart bekannt wurden, bei denen in Zimtgebäck (22,0 und 76,5 mg/kg) und in Zimtpulver (2,3 und 3,3 g/kg) stark variierende und weit über den Höchstwert von 2 mg/kg der europäischen Aromarichtlinie hinausgehende Cumarinkonzentrationen gemessen wurden (BfR, 2006a; BfR, 2006b).

 

Das Beispiel Umckaloabo

 

Die seit dem Jahre 2006 geführte Diskussion über eine Hepatotoxizität von Cumarin hat die Wissenschaft zur Klärung eines möglichen Risikos auch von Phytopharmaka aufgefordert. Dies soll am Beispiel von EPs 7630, einem Wurzelextrakt aus Pelargonium sidoides (enthalten in Umckaloabo zur Behandlung von Atemwegsinfektionen), erläutert werden.

 

Zu den charakteristischen Inhaltsstoffen dieses Extraktes zählen eine Reihe von zwei- bis vierfach in den Positionen 5 bis 8 hydroxylierten Cumarinderivaten, die alle auf einer 7-Hydroxy-Grundstruktur beruhen, in der 3- und 4-Position keine Substituenten tragen und teilweise spezifisch für diese Pflanzenspezies sind. Bei vielen der Verbindungen sind Hydroxylreste methyliert oder sulfatiert. Eine Übersicht über die bisher in EPs 7630 und anderen Extrakten aus Wurzeln von Pelargonium sidoides beschriebenen Cumarine findet sich im Kasten auf dieser Seite (Kayser et al., 1995; Lattè et al., 2000; Kolodziej, 2007; Schötz et al., 2008). Der Gesamtgehalt von Cumarinderivaten in Umckaloabo liegt bei etwa 20 mg/100 ml Fertigarzneimittel mit Schwankungen im Bereich zwischen circa 12 bis 35 mg/100 ml. Wegen dieser Inhaltsstoffe wird das Produkt immer wieder mit möglichen hepatotoxischen und blutgerinnungshemmenden Effekten in Verbindung gebracht.

 

Umckaloabo wurde in Form des Trockenextraktes EPs 7630 umfangreich auf seine Anwendungssicherheit geprüft. In subakuten und chronischen Toxizitätsstudien bei Hund und Ratte lag der NOEL generell bei größer als 750 mg/kg. Selbst bei Dosen von 3000 mg/kg fanden sich bei den morphologischen und histopathologischen Untersuchungen keine Anzeichen für eine Leberschädigung. Außerdem wurden keine Veränderungen von klinisch-chemischen Parametern beobachtet, die auf Leberfunktionsstörungen hindeuten, wie zum Beispiel Erhöhungen von Transaminasen, Laktatdehydrogenase, Bilirubin oder alkalische Phosphatase. Diese Befunde sind bemerkenswert, da ­ wie vorausgehend beschrieben ­ Hunde und Ratten besonders empfänglich für die hepatotoxischen Wirkungen von Cumarin sind. Unterstützt wird diese Einschätzung schließlich durch das Fehlen von zytotoxischen Effekten nach der Inkubation von humanen Hepatomazellen und primären humanen Hepatozyten in Anwesenheit von EPs 7630 in Konzentration von bis zu 50 µg/ml.

 

Aufgrund theoretischer Überlegungen erscheint die Bildung eines hepatotoxischen 3,4-Epoxides aus den in EPs 7630 vorkommenden 7-Hydroxycumarinderivaten grundsätzlich unwahrscheinlich. Dies konnte jetzt unter Verwendung von humanen Hepatozyten experimentell bestätigt werden. Selbst bei Verwendung von Leberzellen von Spendern mit einer niedrigen CYP2A6-Aktivität wurde Umckalin, das wichtigste in EPs 7630 enthaltene 7-HC, ausschließlich mit Sulfat oder Glucuronid konjugiert. Es fanden sich keinerlei weitere Metaboliten und insbesondere kein Cumarin-3,4-epoxid beziehungsweise o-HPA, o-HPE und o-HPAA.

 

Experimentell konnte bei der Ratte ebenso demonstriert werden, dass EPs 7630 keinen Einfluss auf das plasmatische Gerinnungssystem hat und auch keine Interaktion mit Warfarin induziert (Koch & Biber, 2007). Ursache für den fehlenden Einfluss auf die Hämostase sind ebenfalls strukturelle Unterschiede zwischen den in EPs 7630 enthaltenen 7-HC-Derivaten und Cumarin-Antikoagulanzien, für deren gerinnungshemmende Wirkung eine Hydroxysubstitution an C4 und ein lipophiler Rest an C3 Voraussetzung ist. Durch umfassende toxikologische Untersuchungen konnte damit belegt werden, dass den propagierten möglichen Nebenwirkungen von Umckaloabo die theoretische und experimentelle Grundlage fehlt. Im Vergleich zu chemisch definierten Substanzen, wie zum Beispiel Antibiotika, sind damit vom Spezialextrakt EPs 7630 bei gleichem Anwendungsgebiet weniger Nebenwirkungen zu erwarten.

 

Schlussfolgerungen

 

Negative Schlagzeilen zu Naturstoffen mit Übertragung auf Nahrungsmittel beziehungsweise pflanzliche Arzneimittel sind zwar medienträchtig, verunsichern aber Patienten, Apotheker und Arzt bei der Anwendung beziehungsweise Empfehlung wirksamer Phytopharmaka. Ziel des Reviews ist es, am Beispiel von Cumarin eine sachliche und fachlich differenzierte Übersicht im Allgemeinen und zu einem Cumarinderivate-haltigen Spezialextrakt im Speziellen zu geben. Eine intensive Diskussion wird gegenwärtig im Zusammenhang mit dem Nachweis von hohen Cumarinkonzentrationen in Zimt und Zimtgebäck und deren möglichen lebertoxischen Effekten geführt. Diese Berichterstattung hat auch Auswirkungen auf die Darstellung von möglichen Nebenwirkungen von Cumarin beziehungsweise dessen Derivate enthaltenden Arzneimittel. Ziel des Reviews ist es deshalb, eine sachlich und fachlich differenzierte Übersicht zu Cumarinen zu geben.

 

Aufgrund einer Fülle von Substitutionsmöglichkeiten repräsentieren Cumarine eine Substanzklasse mit einer extrem großen chemischen Variabilität, die auch in vielfältigen biologischen Aktivitäten zum Ausdruck kommt. Grundsätzlich besteht eine enge Abhängigkeit zwischen der Struktur und den biologischen Eigenschaften von Cumarinen, was eine Generalisierung sowohl von pharmakologischen als auch toxischen Effekten ausschließt.

 

Die große Vielfalt der Cumarine führt zu entsprechend unterschiedlichen biopharmazeutischen sowie pharmakokinetischen Eigenschaften und weit gespannten pharmakologischen Effekten. Im Gegensatz zu den in der Natur weitverbreiteten an Position 3 und 4 nicht substituierten Cumarinderivaten besitzen Antikoagulanzien vom Cumarintyp eine OH-Gruppe an C-4, die die Voraussetzung für die antikoagulatorische Wirkung bildet, sowie eine lipophile Seitenkette an C-3, die verantwortlich für die Resorption und hohe Bioverfügbarkeit ist. Trotz dieser eindeutigen Erkenntnisse werden 3,4-unsubstituierten Cumarinderivaten aber immer wieder ähnliche gerinnungshemmende Effekte wie den oralen Antikoagulanzien vom Cumarintyp unterstellt.

 

Für leberschädigende und karzinogene Wirkungen von Cumarin wurde nachgewiesen, dass große Speziesunterschiede bestehen, die im Wesentlichen auf einer abweichenden Metabolisierung und Eliminierung beruhen. Bei Ratten, Kaninchen und Hunden wird Cumarin vorrangig über 3-Hydroxycumarin zu o-HPA und o-HPAA metabolisiert, die lebertoxisch sind. Im Gegensatz dazu unterliegt Cumarin beim Menschen einem hohen First-Pass-Effekt. Nach der oralen Aufnahme von bis zu 2 g Cumarin ist die Substanz im Plasma nicht oder nur in Spuren nachweisbar. Cumarin wird rasch über 7-HC zu 7-HC-Glukuronid oder -sulfat abgebaut und innerhalb von 72 Stunden fast vollständig ausgeschieden. 7-HC ist aber nicht hepatotoxisch. Im Gegenteil gibt es Hinweise, dass 7-HC-Derivate sogar über hepatoprotektive Eigenschaften verfügen.

 

Welche Schlussfolgerungen können aus diesen Ergebnissen für Nahrungs- oder Arzneimittel, wie zum Beispiel Umckaloabo, gezogen werden? Zunächst muss festgehalten werden, dass die Übertragung tierexperimenteller Daten zu Cumarinvarianten aus In-vitro- und In-vivo-Untersuchungen auf pflanzliche Zubereitungen einerseits und auf den Menschen andererseits nicht ganz unproblematisch ist. Lebensmitteln darf isoliertes Cumarin nicht zugesetzt werden, jedoch in Form von Pflanzenteilen zur Aromatisierung mit einer Begrenzung auf 2 mg/kg Lebensmittel. Für Lebensmittel ist vom ACF-Panel ein TDI-Wert mit 0,1 mg/kg Körpergewicht festgelegt worden, das sind für eine 60 kg schwere Person 6 mg Cumarin. Für Arzneimittel haben die strengen nationalen beziehungsweise internationalen Anforderungen im Rahmen des Zulassungsverfahrens zu gelten. Für den in Umckaloabo enthaltenen Spezialextrakt EPs 7630 aus der Wurzeldroge Pelargonium sidoides, der ausschließlich 3,4-unsubstituierte 7-Hydroxy-Cumarinderivate enthält, waren in Toxizitätsstudien bei Ratte und Hund nach oraler Gabe von Dosen bis zu 3000 mg/kg/Tag laborchemisch, makroskopisch und histologisch keine Leberschäden nachweisbar. Legt man den bestimmungsgemäßen Gebrauch von dreimal 30 Tropfen (20 Tropfen circa 1 ml) zugrunde, dann errechnet sich bei einem durchschnittlichen Gehalt von 0,2 mg/ml (Schwankungsbreite 0,12-0,35 mg/ml) eine Einnahme von 0,5-1,6 mg Cumarinen. Selbst unter den theoretischen Überlegungen, dass die im Extrakt enthaltenen 7-Hydroxycumarinderivate ein ähnliches toxikologisches Risiko beinhalten würden wie Cumarin und zu 100 Prozent bioverfügbar wären, wären beim Erwachsenen maximale Plasmaspiegel von 0,33 µg/ml und beim Kind von höchstens 2 µg/ml zu erwarten, woraus sich aus den toxikologischen Daten ein mehrere 100-facher Sicherheitsfaktor errechnet. Da der Extrakt aber ausschließlich 3,4-unsubstituierte 7-Hydroxycumarinderivate enthält, konnte, wie zu erwarten, experimentell auch kein Einfluss auf die plasmatische Gerinnung nachgewiesen werden. Ebenso fanden sich keine Hinweise für pharmakokinetische oder pharmakodynamische Interaktionen mit Warfarin.

 

Trotz tierexperimentell ermittelter nicht toxischer Dosen sind am Menschen Nebenwirkungen niemals vollständig auszuschließen. Wenn hierüber berichtet wird, dann sollten für sie grundsätzlich aber die gleichen Kriterien der Evidenz-basierten Medizin gelten, wie bei der Veröffentlichung von Studienergebnissen zur Wirksamkeit und ökonomischen Sinnhaftigkeit. Vielfach tauchen in Meldesystemen unter anderem erhöhte Werte an Leberenzymen (zum Beispiel Transaminasen) auf, aus denen dann eine Leberschädigung durch Xenobiotika abgeleitet wird. Geht man diesen Fällen allerdings sorgfältig nach, dann fehlen vielfach Informationen zu Begleiterkrankungen, Begleitmedikationen, Risikofaktoren, Ausschluss potenzieller Trigger einer Leberenzymerhöhung, wie zum Beispiel virale oder bakterielle Infektionen, Autoimmunerkrankungen oder Alkoholkonsum. Ohne diese Angaben ist eine Kausalitätsbewertung unmöglich. Zu Recht fordern deshalb Teschke et al. (Teschke et al., 2006) für die Kausalitätsevaluation von unerwünschten Arzneimittelwirkungen ein besseres und objektives Verfahren mit adäquaten Formularen.


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Beitrag erschienen in Ausgabe 07/2009

 

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