Untersuchungen zum Einfluss von pharmazeutischen Hilfsstoffen auf die Funktion von pharmakokinetisch bedeutsamen Transportproteinen unter besonderer Berücksichtigung von Cremophor® EL

Das bisherige Wissen über den Einfluss von pharmazeutischen Hilfsstoffen auf die Funktion von Arzneistofftransportern ist insbesondere für die pharmakokinetisch bedeutsame Gruppe der Aufnahmetransporter sehr beschränkt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten in vitro Untersuchungen liefern umfangreiche und systematische Daten zu inhibitorischen Effekten von häufig verwendeten pharmazeutischen Hilfsstoffen auf die Transportfunktion der in vielen pharmakologisch bedeutsamen Geweben exprimierten organic cation transporter (OCT) 1-3 sowie H+/peptide cotransporter (PEPT) 1/2. Für viele dieser pharmakokinetisch-relevanten Aufnahmetransporter sind es die erstmals beschriebenen Interaktionen mit pharmazeutischen Hilfsstoffen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der pharmazeutische Hilfsstoff Cremophor® EL (CrEL) neben der bereits bekannten Hemmung von Phase-I-Metabolismus und Effluxtransport auch die zelluläre Aufnahme von Arzneistoffen beeinflusst, wie am klinisch relevanten Beispiel des Doxorubicin dargestellt wurde. Hierbei beeinflusste der genannte Hilfsstoff die zelluläre Akkumulation von Doxorubicin über die Aufnahmetransporter organic anion transporting polypeptide (OATP) 1A2 sowie OCT1, OCT2 und OCT3 in artifiziellen Zellmodellen und zeigte sich zudem auf funktioneller Ebene anhand einer erheblich veränderten Zytotoxizität in MDA-MB-231 Brustkrebszellen. Auf diesem Wege könnten pharmazeutische Hilfsstoffe zusammen mit Transporter-Polymorphismen wie beispielsweise für OATP1A2, deren Rolle für Doxorubicin in dieser Arbeit auch untersucht wurde, für unaufgeklärte Veränderungen sowie Variabilität der Pharmakokinetik, Effektivität und Sicherheit von Arzneistoffen verantwortlich sein. Die spezifische Normalisierung von in vitro Transportdaten auf den Transportproteingehalt anstelle des Gesamtproteingehaltes kann dabei zur erheblichen Verbesserung der Beurteilung von Transportaktivitäten einzelner Transportproteine sowie deren Beteiligung am Transportprozess eines Arzneistoffes beitragen, wie für die Aufnahme von Doxorubicin und der damit assozierten Zytotoxizität über die OATP1A2-Varianten gezeigt werden konnte. In der durchgeführten in vivo Studie zeigten sich durch CrEL hervorgerufene Veränderungen in der systemischen Pharmakokinetik sowie noch weit drastischere Auswirkungen auf die Akkumulation des Modellarzneistoffes Clarithromycin (CLA) am Wirkort in der Lunge. Die Hemmung des Cytochrom P450 (CYP) 3A-Metabolismus und des multidrug resistance protein 1 (ABCB1)-vermittelten Effluxtransportes in Leber, Nieren und alveolären Makrophagen konnte hierbei als möglicher Mechanismus für die erhöhte Exposition von CLA im Blutplasma und in den bronchoalveolären Lavage-Zellen identifiziert werden. Allerdings ist die Interpretation von derartigen in vivo-Befunden aufgrund des komplexen und zum Teil simultan ablaufenden Wechselspiels von zahlreichen Aufnahme- und Effluxtransportern sowie von Metabolisierungsenzymen nicht eindeutig konklusiv. Derartiges Wissen zur Interaktion pharmazeutischer Hilfsstoffe mit pharmakologisch bedeutsamen Enzymen und Transportern kann dazu beitragen, gewünschte Wirkungen zu verstärken sowie unerwünschte Effekte zu minimieren. Das Zusammenspiel der Einflüsse von pharmazeutischen Hilfsstoffen auf Metabolismus, Efflux und Aufnahme kann somit sowohl zu synergistischen als auch zu antagonistischen Effekten auf die Absorption, Verteilung und Elimination eines Arzneistoffes führen. Weiterhin sollte berücksichtigt werden, dass viele Erkrankungsbilder sowie Polymorbidität nicht selten die Therapie mit mehreren Arzneimitteln erfordern, welches auch mit einem erhöhten Risiko für Arzneistoff-Hilfsstoff-Interaktionen verbunden ist. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zum Einfluss von häufig verwendeten Hilfsstoffen auf die Funktion von Arzneistofftransportern unterstreichen, dass von den zunächst als pharmakologisch inert eingestuften Substanzen in Arzneimitteln durchaus pharmakokinetische Effekte ausgehen können. Dieses Wissen sollte insbesondere bei der präklinischen Entwicklung von Arzneistoffen berücksichtigt werden. Andernfalls drohen möglicherweise Fehlinterpretationen, wenn neue Entwicklungskandidaten in Anwesenheit von pharmazeutischen Hilfsstoffen (z.B. zur Verbesserung der Löslichkeit) auf ihre Affinität zu Metabolisierungsenzymen und Transportern geprüft werden. Neben der etablierten Anwendung als pharmazeutischer Hilfsstoff rückt in der letzten Zeit auch vermehrt die Nutzung von beispielsweise Cyclodextrinen wie Hydroxypropyl-β-cyclodextrin als Wirkstoff zur Behandlung von Krankheiten wie Krebs oder Arteriosklerose in den Fokus der Forschung. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von pharmazeutischen Hilfsstoffen und deren Potential zur Interaktion mit Arzneistoffen, der Optimierung bestehender Therapien sowie möglicher Anwendungen als Wirkstoff sollten im Fokus künftiger in vitro und in vivo Studien stehen.Previous knowledge about the influence of pharmaceutical excipients on the function of drug transporters is very limited especially for the pharmacokinetically important group of uptake transporters. The in vitro studies carried out within the scope of this work provide extensive and systematic data on the inhibitory effects of commonly used pharmaceutical excipients on the transport function of the organic cation transporter (OCT) 1-3 and H+ / peptide cotransporter (PEPT) 1 / 2 which are expressed in many pharmacologically important tissues. For many of these pharmacokinetically relevant uptake transporters interactions with pharmaceutical excipients were described for the first time. Furthermore, it has been shown that the pharmaceutical excipient Cremophor® EL (CrEL) influences not only the already known inhibition of phase I metabolism and efflux transport but also the cellular uptake of drugs, as shown for the clinically relevant example of doxorubicin. The excipient was responsible for the cellular accumulation of doxorubicin via the uptake transporters organic anion transporting polypeptide (OATP) 1A2 and OCT1, OCT2 and OCT3 in artificial cell models and was also shown at the functional level in mammalian MDA-MB-231 breast cancer cells. In this way, pharmaceutical excipients along with transporter polymorphisms such as OATP1A2, whose role in doxorubicin has been explored in this work, may be responsible for unexplained changes and variability in drug pharmacokinetics, efficacy and safety. The specific normalization of in vitro transport data to the transport protein content instead of the total protein content can contribute to the considerable improvement of the assessment of transport activities of individual transport proteins and their participation in the transport process of a drug, as shown for the uptake of doxorubicin and the associated cytotoxicity via the OATP1A2 variants. The in vivo study revealed CrEL-induced changes in systemic pharmacokinetics as well as far more enormous effects on the accumulation of the probe drug clarithromycin (CLA) at the site of action in the lung. The inhibition of cytochrome P450 (CYP) 3A metabolism and multidrug resistance protein 1 (ABCB1)-mediated efflux transport in the liver, kidneys and alveolar macrophages was identified as the possible mechanism for the increased exposure of CLA in blood plasma and bronchoalveolar lavage cells. However, the interpretation of such in vivo findings is not conclusive due to the complex and sometimes simultaneous interplay of numerous uptake and efflux transporters as well as metabolizing enzymes. Such knowledge about the interaction of pharmaceutical excipients with pharmacologically important enzymes and transporters can help to enhance desired effects and minimize undesirable effects. The interaction of the effects of pharmaceutical excipients on metabolism, efflux and uptake can thus lead to both synergistic and antagonistic effects on the absorption, distribution and elimination of a drug. Furthermore, it should be considered that many disease syndromes as well as polymorbidity often require multiple drug therapy, which is also associated with an increased risk for drug-excipient interactions. The findings of this work on the influence of commonly used excipients on the function of drug transporters underline that pharmacokinetic effects of the substances initially classified as pharmacologically inert in pharmaceuticals can be assumed. This knowledge should be taken into account especially in the preclinical development of drugs. Otherwise, misinterpretations may be likely to occur when new development candidates in the presence of pharmaceutical excipients (e.g., to improve solubility) are tested for their affinity for metabolizing enzymes and transporters. In addition to the established use as a pharmaceutical excipient the use of for example cyclodextrins such as hydroxypropyl-β-cyclodextrin as an active ingredient for the treatment of diseases such as cancer or arteriosclerosis has recently become the focus of research. Further investigations on the influence of pharmaceutical excipients and their potential for drug interactions, the optimization of existing therapies as well as potential drug applications should be the focus of future of in vitro and in vivo studies

Expression and Functional Contribution of Different Organic Cation Transporters to the Cellular Uptake of Doxorubicin into Human Breast Cancer and Cardiac Tissue

Doxorubicin is a frequently used anticancer drug to treat many types of tumors, such as breast cancer or bronchial carcinoma. The clinical use of doxorubicin is limited by its poorly predictable cardiotoxicity, the reasons of which are so far not fully understood. The drug is a substrate of several efflux transporters such as P-gp or BCRP and was recently reported to be a substrate of cation uptake transporters. To evaluate the potential role of transporter proteins in the accumulation of doxorubicin at its site of action (e.g., mammary carcinoma cells) or adverse effects (e.g., heart muscle cells), we studied the expression of important uptake and efflux transporters in human breast cancer and cardiac tissue, and investigated the affinity of doxorubicin to the identified transporters. The cellular uptake studies on doxorubicin were performed with OATP1A2*1, OATP1A2*2, and OATP1A2*3-overexpressing HEK293 cells, as well as OCT1-, OCT2-, and OCT3- overexpressing MDCKII cells. To assess the contribution of transporters to the cytotoxic effect of doxorubicin, we determined the cell viability in the presence and absence of transporter inhibitors in different cell lines. Several transporters, including P-gp, BCRP, OCT1, OCT3, and OATP1A2 were expressed in human heart and/or breast cancer tissue. Doxorubicin could be identified as a substrate of OCT1, OCT2, OCT3, and OATP1A2. The cellular uptake into cells expressing genetic OATP1A2 variants was markedly reduced and correlated well with the increased cellular viability. Inhibition of OATP1A2 (naringin) and OCT transporters (1-methyl-4-phenylpyridinium) resulted in a significant decrease of doxorubicin-mediated cytotoxicity in cell lines expressing the respective transporters. Similarly, the excipient Cremophor EL significantly inhibited the OCT1-3- and OATP1A2-mediated cellular uptake and attenuated the cytotoxicity of doxorubicin. In conclusion, genetic and environmental-related variability in the expression and function of these transporters may contribute to the substantial variability seen in terms of doxorubicin efficacy and toxicity

Alternative Vehicles - Modelica Bibliothek zur Simulation von alternativen Fahrzeugkonzepten

This paper introdues the Modelica library Alternative Vehicles which has been developed by the DLR institutes of Vehicle Concepts and Robotics and Mechatronics to model and simulate alternative vehicle concepts. The objectives of the library are the model based conception and validation of vehicles with alternative propulsion. Beside the specific components of these vehicles several examples of typical configurations are included in the library. The possibility of automatic model inversion to control complex dynamic system ist demonstrated by means of a fuel cell syste

Schlussbericht des DLR zum BMBF Projekt: EUROSYSLIB-D: Europäische Führerschaft in der Systemmodellierung und-simulation durch innovative Modelica-Bibliotheken

Das in diesem Schlussbericht dokumentierte Vorhaben ist Teil des ITEA 2 EURSYSLIB Projekts (www.eurosyslib.com). Der deutsche Anteil wurde in Form eines BMBF-Projekts (EUROSYSLIB-D) durchgeführt. Dieses Dokument beschreibt die Arbeiten vom DLR innerhalb vom EUROSYSLIB Projekt. Im EUROSYSLIB Projekt wuden von 19 Partnern mehr als 30 innovative Modelica Bibliotheken in den Bereichen Mechanik, Elektrik/Elektronik, Thermo-Fluid, Regelung, Sicherheit, Fahrzeugsysteme entwickelt, um die Modelica Technologie als weltweit führenden offenen Standard im Bereich der System-Modellierung und -Simulation durchzusetzen. DLr ist technischer Koordinator des ITEA 2-Projekts und entwickelte Prototypen von Modelica Bibliotheken in seinem Kern-Kompetenzbereich der Mechanik, Regelung, Fahrzeugsysteme, unkonventionelle Fahrzeugantriebe und Fahrzeugenergiesysteme