I B. Metabolisme av xenobiotica og toksisk leverskade. Bent Hellum, Ph.D. Institutt for kreftforskning og molekylær medisin

Transkript

1 1 I B Metabolisme av xenobiotica og toksisk leverskade Bent Hellum, Ph.D. Institutt for kreftforskning og molekylær medisin

2 2 Læringsmål semester IB 8 Miljømedisin, epidemiologi og toksikologi 8.1 Studenten skal kunne: beskrive hvordan leveren kan fungere og skades ved eksponering for miljøgifter

3 3 2 timer: Metabolisme: hva, hvor og hvorfor Faser i metabolismen Fase I metabolisme: Cytokrom P450-enzymer (og andre) Fase II metabolisme: konjugering Metabolsk aktivering Faktorer som påvirker Toksisk leverskade

4 4 Hva er metabolisme..? Biotransformasjon av et stoff/ komponent / molekyl Produksjon av en inaktiv (polar) metabolitt Testosteron OH-testosteron Produksjon av en aktiv metabolitt Purin & pyrimidin kjemoterapi prodrugs terfenadin fexofenadin (CYP3A4 i tarm) Codein morfin (CYP2D6 lever) Produksjon av en toksisk metabolitt Acetaminophen NAPQI (CYPer i lever) Produksjon av konjugater GST avgiftning - eliminasjon/ekskresjon

5 5 Hvor..? Extrahepatic microsomal enzymes (oxidation, conjugation) Hepatic microsomal enzymes (oxidation, conjugation) Hepatic non-microsomal enzymes (acetylation, sulfation,gsh, alcohol/aldehyde dehydrogenase, hydrolysis, ox/red)

6 6 Hvorfor..? Metabolisme er ønskelig når et xenobiotikum har nådd frem til virkningssted kan ha effekt lenger enn ønskelig eller bli toksisk Polare metabolitter og konjugater er lettere å kvitte seg med (gjennom galle og nyrer)

7 7 2 faser i metabolismen Fase I reaksjoner Konverterer modermolekylet til en mer polar (= hydrofil) metabolitt ved å addere eller avdekke funksjonelle grupper (-OH, -SH, -NH 2, - COOH, etc.) Ofte er disse metabolittene inaktive Kan også være tilstrekkelig polart til å bli utskilt direkte Fase II reaksjoner Konjugering med endogene substrat for å øke vannløseligheten Konjugering med glucuronid, sulfat, acetat, aminosyrer Fase I kommer som regel før fase II reaksjoner

8 8

9 9 Fase I-metabolisme: oksidasjon To typer: Oksygen blir tilført molekylet (feks hydroxylering) Oksidasjon gjør at en del av molekylet spaltes av (feks. oxidativ deaminering, dealkylering)

10 10 Cytochrome P450 Humans have 18 families of cytochrome P450 genes and 43 subfamilies: CYP1 drug metabolism (3 subfamilies, 3 genes, 1 pseudogene) CYP2 drug and steroid metabolism (13 subfamilies, 16 genes, 16 pseudogenes) CYP3 drug metabolism (1 subfamily, 4 genes, 2 pseudogenes) CYP4 arachidonic acid or fatty acid metabolism (5 subfamilies, 11 genes, 10 pseudogenes) CYP5 Thromboxane A2 synthase (1 subfamily, 1 gene) CYP7A bile acid biosynthesis 7-alpha hydroxylase of steroid nucleus (1 subfamily member) CYP7B brain specific form of 7-alpha hydroxylase (1 subfamily member) CYP8A prostacyclin synthase (1 subfamily member) CYP8B bile acid biosynthesis (1 subfamily member) CYP11 steroid biosynthesis (2 subfamilies, 3 genes) CYP17 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene) 17-alpha hydroxylase CYP19 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene) aromatase forms estrogen CYP20 Unknown function (1 subfamily, 1 gene) CYP21 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene, 1 pseudogene) CYP24 vitamin D degradation (1 subfamily, 1 gene) CYP26A retinoic acid hydroxylase important in development (1 subfamily member) CYP26B probable retinoic acid hydroxylase (1 subfamily member) CYP26C probabvle retinoic acid hydroxylase (1 subfamily member) CYP27A bile acid biosynthesis (1 subfamily member) CYP27B Vitamin D3 1-alpha hydroxylase activates vitamin D3 (1 subfamily member) CYP27C Unknown function (1 subfamily member) CYP39 7 alpha hydroxylation of 24 hydroxy cholesterol (1 subfamily member) CYP46 cholesterol 24-hydroxylase (1 subfamily member) CYP51 cholesterol biosynthesis (1 subfamily, 1 gene, 3 pseudogenes) lanosterol 14-alpha demethylase

11 11 Aa sekvens > 40% - familie Aa sekvens > 55% - subfamilie

12 12

13 13

14 14 CYP Enzymes in Metabolism of Some Clinically Important Drugs CYP Enzyme 1A1 1A2 2A6 2B6 2C-family 2E1 2D6 3A4 Examples of substrates Caffeine, Testosterone, R-Warfarin Acetaminophen, Caffeine, Phenacetin, R-Warfarin 17 -Estradiol, Testosterone Cyclophosphamide, Erythromycin, Testosterone Acetaminophen, Tolbutamide (2C9); Hexobarbital, S- Warfarin (2C9,19); Phenytoin, Testosterone, R- Warfarin, Zidovudine (2C8,9,19); Acetaminophen, Caffeine, Chlorzoxazone, Halothane Acetaminophen, Codeine, Debrisoquine Acetaminophen, Caffeine, Carbamazepine, Codeine, Cortisol, Erythromycin, Cyclophosphamide, S- and R-Warfarin, Phenytoin, Testosterone, Halothane, Zidovudine Adapted from: S. Rendic Drug Metab Rev 34: , 2002

15 15 Oxidation reactions Epoxidation: N-demethylation:

16 16 Oksidasjonsreaksjoner IKKE katalysert av CYP: Flavin monooxygenase system For det meste i lever, noe i tarm og lunge Lokalisert i glatt endoplasmatisk retikulum Oksiderer forbindelser med svovel og nitrogen Bruker NADH og NADPH som cofaktorer Alkohol dehydrogenase (cytosol) Aldehyde oksidering (cytosol) Xanthin oxidase Amin oxidases Monoamin oxidase (nerve terminaler, mitochondria) Diamin oxidase, i levermikrosomer Primært endogen metabolisme

17 17 Fase I oppsummert Så godt som alle kroppsfremmede stoffer kan metaboliseres av enzym-systemer En forbindelse flere fase I-veier (pathways) Hovedfunksjonen til fase I reaksjoner er å forberede kjemikaliet for fase II metabolisme Fase II er det egentlige detoksifiseringstrinnet i den metabolske prosessen.

18 18 Fase II metabolisme Konjugeringsreaksjoner Glukuronidering av UDP-Glucuronosyltransferase: (-OH, -COOH, -NH 2, -SH grupper) Sulfation av Sulfotransferase: ( -NH2, -SO 2 NH 2, -OH grupper) Acetylering av acetyltransferase: (-NH 2, -SO 2 NH 2, -OH grupper) Aminosyre-konjugering (-COOH grupper) Glutathion konjugering av Glutathion-S-transferase: (epoxider or organic halider) Fettsyre-konjugering (-OH groups) kondenseringsreaksjoner

19 19 Fase II: Glukuronidering Glucuronidering ( = konjgering til a-d-glucuronic syre) Kvantitativt den vigtigste fase II veien for xenibiotika og endogene stoffer Entereohepatisk resirkulering pga glucuronidaser i tarm Trenger enzymet UDP-glucuronosyltransferase (UGT): Enzymfamilie Metaboliserer en rekke strukturelt ulike endogene og exogene of stoffer

20 20 Glukuronidering Glukuronidering og Enterohepatisk resirkulering

21 21 Glutathion-konjugering Tripeptid Gly-Cys-Glu; konjugert av glutathion-s-transferase (GST)

22 22 Metabolsk aktivering eller bioaktivering Omdannelse av ikke-toksiske substrater til karsinogene eller mutagene metabolitter Sigarettrøyk Benzo[a]pyren Pro-drugs Codein morfin Levadopa dopamin

23 23 Pro-drugs Farmakologisk inaktive Konverterer raskt til aktiv metabolitt (vanligvis hydrolyse av ester eller amid-binding) Maksimerer mengden aktivt stoff som når virkningssted

24 24 Metabolic activation

25 25 Epoksid hydrolase Oksidering av umettede karbon-karbon bindinger epoksider Epoksider = mutagene EH: omdanner epoksider til trans-dihydrodioler Store mengder i endoplasmisk retikulum

26 26 Benzo[a]pyrene

27 27 Faktorer som påvirker metabolismen Miljø Inhibering Induksjon Sykdom Kjønn og alder Genetikk (polymorfisme)

28 28 Miljø Aktiviteten til de fleste legemiddelomsettende enzymer kan bli påvirket av eksponering for andre eksogene stoffer: Medisiner / narkotika Mat/ kosttilskudd / urter Andre miljøfaktorer (pestisider, industrielle kjemikalier) gjennom induksjon eller inhibering Bidrar til interindividual variasjon i legemiddelmetabolisme

29 29 Induksjon av enzymer Xenobiotika kan påvirke gen-transkripsjonspromotorer Økt transkripsjon av CYP-gen Øker mengde enzym raskere metabolisme eksempler: fenobarbital, Johannesurt, sigarettrøyk

30 30 Måle induksjon Definitiv test: Eksponere dyr/ mennesker for substans Kontroller eksponert for placebo Ta leverbiopsi, mål mengde CYP Vanskelig/ omstendelig i mennesker ingen garanti for at mennesker og dyremodell responderer likt Mest brukt for fenotyping: Farmakokinetikk av et stoff

31 31 Konsekvenser induksjon Økt metabolisme Plasmakonsentrasjon (av legemiddel) minsker Økt første-passasje metabolisme Redusert biotilgjengelighet Om metabolitt er aktiv eller reaktiv: økt effekt eller toksisitet

32 32 Inhibering av enzymer Legemiddelmetabolisme kan bli inhibert Legemidler og andre forbindelser kan inhibere metabolismen av andre legemidler

33 33 Konsekvenser inhibering Økt plasmakonsentrasjon av modersubstans Reduksjon i metabolittkonsentrasjon Økt og forlenget farmakologisk effekt Økt sannsynlighet for toksisitet (bivirkninger)

34 34 Sitrus-juice Grapefruktjuice inneholder antioksidanter (flavonoider) som inhiberer CYP3A4 i tarm og lever. Fører til økt plasmakonsentrasjon av felodipin og andre kalsiumkanal-blokkere Tranebærjuice inneholder ulike antioksidanter (flavonoider) som inhiberer CYP. Øker Warfarin plasmakonsentrasjonen (Pharm.J. 27th Sept 2003)

35 35 Grapefruktjuice og felodipin Med GFJ Uten GFJ Cl Cl CH 3 O 2 C H Cl CO 2 CH 3 3A4 CH 3 O 2 C Cl CO 2 CH 3 CH 3 N CH 3 H CH 3 N CH 3 Review- D.G. Bailey, et al.; Br J Clin Pharmacol 1998, 46:

36 36 GFJ GFJ øker plasma kosentrasjon, inkl maxkonsentrasjon, ikke halveringstiden t 1/2 GFJ reuserte metabolitt/substrat AUC ratio GFJ forårsaket 62% reduksjon i av CYP3A4 i tarm; ikke noe effekt i lever (i.v. farmakokinetikk uendret) GFJ effekten varte ~4 h, krever syntese av nye enzymer

37 37 Genetikk (polymorfisme) Stor variasjon i responsen på legemidler blant folk Dette kan føre til tap av terapeutisk effekt eller uønskede bivirkninger Genetisk mangfoldighet er regelen og ikke unntaket for alle proteiner, også legemiddelmetaboliserende enzymer

38 38 Polymorfisme CYP2D6 CYP2D6 er nøye studert, genet for CYP2D6 er meget polymorft Uttrykt som 3 fenotyper (fenotype er hvordan genotypen uttrykkes) Extensive metabolizers (EMs) har funksjonell enzymaktivitet Intermediate metabolizers (IMs) har nedsatt enzymaktivitet Poor metabolizers (PMs) har lite eller ingen aktivitet 5-10% av lyshudede og 1-2% av asiater er PM fenotype

39 39 Acetaminophen Acetanilid 1886 oppdaget ved en tilfeldighet (antipyretisk); toksisk (methemoglobinemia); para-aminophenol og andre derivativer ble testet Fenacetin introdusert i 1887, brukt mye i smertestillenede mix er, høyt forbruk nefropati Acetaminophen oppdaget som metabolitt i Brodie og Axelrod fant at methemoglobinemia skyldtes acetanilid og analgesisk effekt var fra acetaminophen 1955 acetaminophen kommersialisert i USA

40 40 HN COCH 3 HN COCH 3 NH 2 Acetanilide, 1886 (accidental discovery of antipyretic activity; high toxicity) 70-90% OC 2 H % OC 2 H 5 Phenacetin or acetophenetidin, 1887 (nephrotoxic, methemoglobinemia) NH 2 HN COCH 3 Metabolic pathway quantified; (Brodie &Axelrod, 1948) popular in US since 1955 OH Acetaminophen, 1893

41 41 Acetaminophen Acetaminophen-overdoser leder klart når det gjelder antall henvendelser til Giftinformasjonssentralen Acetaminophen-overdoser var skyld i 35 dødsfall I Norge N-acetyl cystein er en efektiv motgift, må administeres innen 10 timer etter forgiftning

42 42 Acetaminophen metabolism HN COCH 3 HN COCH 3 O O CO 2 H ~60% ~35% OH CYP2E1* CYP1A2 CYP3A11 HN COCH 3 HO OH OH N COCH 3 O SO 3 H *induced by ethanol, isoniazid Protein adducts, Oxidative stress Toxicity O

43 43 Liver anatomy and damage Outside Inside

44 44

45 45 Zone 3 Zone 2 Zone 1