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Arzneistoffschleusen in der Membran

26.07.2004
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PHARMAZIE

EUFEPS-Kongress

Arzneistoffschleusen in der Membran

 

von Christina Hohmann, Kopenhagen

Membranständige Transportproteine geraten zunehmend in den Fokus von Pharmakologen, da sie die Absorption, Distribution und Elimination von Wirkstoffen entscheidend beeinflussen können. Den aktuellen Kenntnisstand auf diesem jungen Forschungsgebiet trugen Experten auf dem 8. europäischen Kongress der European Federation for Pharmaceutical Sciences (EUFEPS) in Kopenhagen vor.

In den vergangenen fünf bis zehn Jahren hat sich das Verständnis von Prozessen, die an der Absorption und Distribution von Arzneistoffen beteiligt sind, drastisch erhöht. „Bis vor kurzem ging man davon aus, dass die Aufnahme von Substanzen ins Blut und der Transfer ins Gehirn passive Prozesse sind, die von den physikochemischen Eigenschaften des Arzneistoffs abhängen“, sagte Professor Dr. Michel Eichelbaum, Stuttgart. Mittlerweile sei allerdings bekannt, dass dabei Transportproteine in der Membran von Zellen eine entscheidende Rolle spielen.

Das menschliche Genom enthält zahlreiche Gene, die für mehr als 800 solcher Proteine codieren. Diese regulieren den Transport von Substanzen in Zellen hinein (Influx) oder aus ihnen heraus (Efflux). Für die Absorption von Stoffen sind vor allem die aufnehmenden Transporter im Magen-Darm-Trakt bedeutend. Hierzu zählen neben den auf Nährstoffe spezialisierten Aminosäure-, Peptid-, Glukose-, Nukleotid- oder Fettsäuretransportern auch die organischen Anionen-Transporter (OAT) und die organischen Kationen-Transportproteine (OCT). Effluxpumpen im Epithel des Gastrointestinaltrakts wie die ABC-Proteine (ATP binding cassette proteins) senken dagegen die Absorption und somit die orale Bioverfügbarkeit der Substanzen, die an die Transporter binden.

Für die Elimination entscheidend sind vor allem Transportproteine in der Leber wie organische Anionen-Transportpolypeptide (OATP) und das P-Glykoprotein (P-gp). Aber auch in anderen Zellmembranen besonders an biologischen Barrieren wie der Blut-Hirn- oder der Blut-Plazenta-Schranke sind spezielle Transportproteine vorhanden, um den Stoffaustausch zu regulieren.

P-Glykoprotein

Die größte wissenschaftliche Aufmerksamkeit richtete sich bisher auf die Effluxpumpe P-gp, da sie in vielen Geweben vorkommt, die für die Distribution von Fremdstoffen im Körper wichtig sind. P-gp gehört zu der Familie von Membrantransportproteinen, die von dem Gen MDR1 (multi drug resistance) codiert werden.

P-gp ist ein 1280 Aminosäuren langes Protein, das aus zwei homologen Hälften besteht, die durch ein flexibles Mittelstück verbunden sind (siehe Graphik). Jede Hälfte enthält eine hydrophobe Domäne mit sechs transmembranen Regionen, gefolgt von einer ATP-Bindestelle. Das Membranprotein bildet eine Art Ring mit einer zentralen Pore von 5 nm Durchmesser, durch die es Substanzen unter ATP-Verbrauch aus dem Zellinneren in den extrazellulären Raum pumpt.

P-gp ist nicht sehr spezifisch, es befördert Substanzen ganz unterschiedlicher Struktur, die eine Größe von 200 bis 1800 Kilodalton besitzen können. Zu den Substraten gehören zum Beispiel Krebstherapeutika wie Vinblastin, Vincristine, oder Doxorubicin, Steroide (Aldosterol, Hydrocortisol, Cortisol) und alle HIV-Protease-Inhibitoren. Außerdem zählen zu den Substraten Digoxin, Chinidin, Lovastatin, die Antibiotika Erythromycin und Rifampicin und Immunsuppressiva wie Cyclosporin A, wobei letzteres ein potenter P-gp-Inhibitor ist.

Pumpende Schutzbarriere

Die Effluxpumpe P-gp wird im Gastrointestinaltrakt exprimiert, wo sie Fremdstoffe aus den Epithelzellen zurück ins Darmlumen pumpt und somit den Organismus vor fremden Substanzen schützt. Dieselbe Funktion hat das Protein in der Leber, im Pankreas und in der Niere. Es senkt entweder die Absorption oder erhöht die Elimination. Auch im Knochenmark und in verschiedenen Blutzellen kommt das Membranprotein vor und schützt die Zellen vermutlich vor toxischen Fremdstoffen. Außerdem wird P-gp in den Endothelzellen des Zentralnervensystems (Blut-Hirn-Schranke) sowie der Plazenta und des Hodens exprimiert, wo es Toxine vom Gehirn, dem Fetus beziehungsweise der Keimbahn fernhält.

“Bei Mäusen war diese Funktion im ZNS schon lange bekannt, bei Menschen war sie kaum untersucht”, sagte Professor Dr. Jashvant Unadkat von der University of Washington in Seattle. Um die Barrierefunktion von P-gp an der Blut-Hirn- und der Blut-Plazenta-Schranke zu quantifizieren, wandte seine Arbeitsgruppe die Positronen-Emissions-Spektroskopie (PET) an. Die Forscher infundierten gesunden Probanden das P-gp-Substrat Verapamil und verfolgten anschließend die Verteilung der radioaktiv markierten Substanz per PET. Setzten sie die Effluxpumpe durch Gabe eines Inhibitors außer Kraft, stieg die Verapamil-Konzentration im Gehirn drastisch an: Das Verhältnis AUCZNS/AUCBlut nahm um 90 Prozent zu. Wie wichtig die Funktion von P-gp an der Plazenta ist, konnten die Forscher in ähnlichen Versuchen mit Primaten zeigen. Während ohne Inhibitorgabe das meiste Verapamil in der Leber der Mutter nachzuweisen war, befand sich nach Ausschalten der Pumpfunktion die höchste Substrat-Konzentration in der Leber der Feten, berichtete Unadkat.

„Bei der Aufnahme von Substanzen ins ZNS spielt die P-gp-Aktivität eine ganz entscheidende Rolle“, erklärte auch Dr. Jiunn Lin von den Merck Research Laboratories in West Point. Weniger stark wirke sie sich dagegen auf die orale Bioverfügbarkeit aus, vermutlich weil die Pumpfunktion bei hohen Dosen saturiert sein kann. „Wenn ein P-gp-Inhibitor gegeben wird, steigt die Plasmakonzentration nur wenig an, die Konzentration im Gehirn dagegen beträchtlich.“

Insofern ist die Blut-Hirn-Schrank vor allem bei der Entwicklung neuer Arzneistoffe ein Problem, die ins ZNS gelangen sollen, erklärte Joseph Polli von GlaxoSmithKline, North Carolina. So zum Beispiel bei den Indikationen Morbus Alzheimer, Depression oder HIV-Infektion. Wenn antiretrovirale Wirkstoffe wie Protease-Inhibitoren nicht ins ZNS gelangen, weil sie gute P-gp-Substrate sind, entsteht im Gehirn eine Art Nische für die Viren, in der sie sich weiter vermehren können. Deshalb arbeiten Forscher derzeit an Therapieschemata, die Protease-Inhibitoren mit P-gp-Hemmstoffen kombinieren.

Andererseits ist es auch wichtig, neue Arzneistoffe zu entwickeln, die nicht ins Gehirn gelangen und somit keine ZNS-Nebenwirkungen hervorrufen können. Dies verdeutlichte Polli am Beispiel der H1-Antagonisten. Cetrizin, ein Antihistaminikum der zweiten Generation, ist Hydroxyzin, einem Wirkstoff der ersten Generation strukturell sehr ähnlich. Im Gegensatz zu diesem wirkt es allerdings deutlich weniger sedierend. Der Grund hierfür ist, dass Cetrizin ein gutes P-gp-Substrat ist, somit kaum über die Blut-Hirn-Schranke gelangt und daher auch wenig ZNS-Nebenwirkungen hervorruft. Für eine gute ZNS-Gängigkeit sollte ein Arzneistoff eine passive Permeabilität von mehr als 150 nm/s besitzen und nicht gut von P-gp befördert werden, fasste Polli zusammen.

Transportfunktionen in vitro testen

Derzeit arbeiten Forscher weltweit daran, In-vitro-Systeme zu entwickeln, mit denen sich das P-gp-Substratprofil von Arzneistoffkandidaten vorhersagen lässt. Geeignete In-vitro-Modelle der Blut-Hirn-Schranke sollten den Phänotyp der Kapillaren nachahmen, also enge zelluläre Verbindungen (tight junctions) besitzen, sie sollten den transzellulären Transport in beide Richtungen zulassen und außerdem alle im Gehirn vorkommenden Transportproteine aufweisen, erklärte Dr. Jean-Francois Ghersi-Egea von der Universität Lyon. Dies sind neben den ABC-Transportern wie P-Glykoprotein auch verschiedene organische Anionen-Transporter (OAT). Für In-vitro-Modelle eignen sich zum Beispiel aus Gehirnkapillaren gewonnene Endothelzellen. In Kultur bilden sie eine epithelartige, einzellige Schicht. An dieser lassen sich Permeabilität und Transport von Substanzen untersuchen.

Genetische Variabilität

Da die P-gp-Aktivität die Aufnahme und Verteilung von Substanzen im Körper beeinflusst, spielen auch genetische Veränderungen im codierenden MDR1-Gen eine Rolle für diese Parameter. Interindividuelle Unterschiede in der Absorption und Distribution von P-gp-Substraten gehen zumindest zum Teil auf Mutationen im MDR1-Gen zurück, sagte Professor Dr. Michel Eichelbaum, Stuttgart. Eine ganze Reihe von genetischen Veränderungen, so genannte SNPs (single nucleotide polymorphism), im MDR1-Gen sind bereits identifiziert. Ein SNP in Exon 26 ist besonders häufig: Es kommt in 25 Prozent der kaukasischen Bevölkerung vor. Die Mutation führt zu einer reduzierten Expression von P-gp. Bei Trägern des SNP wirkt sich dies direkt auf die Absorption bestimmter Substanzen aus: So ist die Plasmakonzentration von Digoxin um so höher, je niedriger der P-gp-Level im Gewebe ist. Stärker noch als bei den Plasmaspiegeln wirken sich genetische Veränderungen des MDR1-Gens auf die Konzentrationen im Gehirn aus, erklärte Eichelbaum. So weisen Patienten zum Teil ähnliche Plasmaspiegel, aber stark unterschiedliche ZNS-bezogene Nebenwirkungen auf.

Transporter in der Leber

Zum Schutz des Organismus vor Fremdstoffen spielt die Leber eine besondere Rolle. Sie entfernt toxische Substanzen aus dem Blut und eliminiert sie mit der Gallenflüssigkeit. Für diese Aufgabe enthält die Membran der Hepatocyten eine Reihe von Transportproteinen, neben OATPs sind OCTs und OATs vorhanden. Alle sind von pharmazeutischer Bedeutung, da sie die Kinetik von Arzneistoffen beeinflussen können. Die OATPs sitzen an der dem Blut zugewandten Seite der Hepatocyten und pumpen organische anionische Substanzen in die Zelle. „Gute Substrate dieser Transporter haben daher eine geringe Bioverfügbarkeit, ihre Aufnahme ist interindividuell stark unterschiedlich und sie haben ein großes Potenzial für Medikamenten-Interaktionen“, sagte Privatdozentin Dr. Karin Fattinger von der Universitätsklinik Zürich. Zu den typischen Substraten zählen Taurocholat, Estrogenkonjugate, Schilddrüsenhormone und Bosentan.

Beispiele für Interaktionen, bei denen OATPs eine Rolle spielen, nannte Dr. Dennis Schneck von der britischen University of Newcastle upon Tyne. So hemmt zum Beispiel Cyclosporin A die durch OATP-C bedingte Aufnahme von Statinen in die Leber. Durch die Gabe des Transportinhibitors steigt die Plasmakonzentration von Atorvastatin um das 7,4-fache und die von Simvastatin um das 6-fache. Auf diesem Prinzip beruht auch die bekannte Interaktion von Cerivastatin und Gemfibrozil: Letztere hemmt den Transport des Statins über OATP-C in die Leber und erhöht somit den Plasmaspiegel um das 5,6-fache. Dadurch können Myopathien auftreten, die sogar zum Tod führen können. Auch die Plasmakonzentration von Pravastatin, Lovastatin und Simvastatin werden durch gleichzeitige Gabe von Gemfibrozil erhöht, allerdings moderater, um das zwei- bis dreifache.

Die Wechselwirkung von Cerivastatin und Gemfibrozil hat traurige Berühmtheit erlangt. Für die meisten anderen Wirkstoffe ist – trotz der erheblichen Fortschritte auf diesem Gebiet – noch unklar, welche Bedeutung Transportproteine für die Absorption, Distribution und Elimination haben und ob eventuelle Interaktionen an Transportern klinisch relevant sind. Trotzdem befassen sich Regulierungsbehörden bereits mit dem Problem der Medikamenteninteraktionen, berichtete Dr. Marie Gårdmark von der schwedischen Behörde für Medizinprodukte in Uppsala. Die meisten Studien zu Wechselwirkungen zwischen Medikamenten untersuchen allerdings die Ebene des Stoffwechsels. Untersuchungen zu Interaktionen auf der Ebene der Transportproteine sind dagegen selten. Das Wissen auf diesem Gebiet ist noch sehr begrenzt und es fehlen allgemein anerkannte standardisierte Testsubstanzen. Daher enthalten offizielle Richtlinien auch noch keine festen Empfehlungen, wann Studien zu Interaktionen an Transportern angebracht sind. Außerdem existieren bezüglich solcher Wechselwirkungen kaum Kennzeichnungsvorschriften für Arzneimittel. Die regulatorischen Anordnungen sollten sich parallel zum wissenschaftlichen Fortschritt weiterentwickeln, sagte Gårdmark.

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