Thesis (doctoral)--Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 1994.

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg.

University, Diss., 2006--Würzburg.

There are numerous areas of application for which PKPD models are a valuable tool. We studied dose linearity, bone penetration and drug-drug interactions of antibiotics by PKPD modeling. Knowledge about possible saturation of elimination pathways at therapeutic concentrations is important for studying the probability of successful treatment of dosage regimens via MCS at various doses, other modes of administration, or both. We studied the dose linearity of flucloxacillin and piperacillin. For data analysis of the dose linearity studies, population PK modeling and MCS was used. Population PK has been reported to detect saturable elimination at lower doses, and to estimate BSV more precisely than the STS approach. The variability in PK and the expected variability in PD are combined in a MCS to predict the probability of successful treatment. Flucloxacillin showed no saturation of elimination at the studied doses of 500 mg and 1000 mg. Comparison of various dosage regimens showed, that only one third of the daily dose is needed with prolonged or continuous infusion to achieve the same probability of successful treatment as short-term infusions at the full dose. For serious infections with sensitive staphylococci that are treated with intravenous flucloxacillin, prolonged infusion and continuous infusion are an appealing treatment option. Contrary to flucloxacillin, renal elimination and to a lesser extent also nonrenal elimination of piperacillin were saturable at therapeutic concentrations. Renal clearance decreased by 24% (p = 0.02) after a dose of 3000 mg piperacillin compared to the 1500 mg dose. A model without saturable elimination predicted PTA expectation values that were 6 to 11% lower for high dose short-term infusions and 2 to 5% higher for low dose continuous infusions, compared to models with saturable elimination. These differences depend on the MIC distributions of the local hospital. However, more accurate estimates for the PTA expectation value can be obtained by including an existent saturable elimination pathway into the PK model. Developing a mechanistic model of an interaction allows one to predict the extent of the interaction for other doses of drug and inhibitor. We studied the interactions between gemifloxacin and probenecid, between ciprofloxacin, its metabolite M1 and probenecid, and between flucloxacillin and piperacillin. Mechanistic models for drug-drug interactions were developed by the STS approach. This approach directly accounts for the concentration dependence of an interaction and describes the full time course of an interaction. Probenecid significantly inhibited the renal elimination of gemifloxacin, ciprofloxacin and ciprofloxacin’s metabolite M1, and slightly decreased nonrenal clearance of gemifloxacin. Piperacillin significantly decreased renal and nonrenal clearance of flucloxacillin, but hardly vice versa. For all three interactions competitive inhibition of a capacity-limited renal elimination pathway was identified as the most likely mechanism. As those drugs are all actively secreted in the renal tubules, competitive interaction is physiologically reasonable. Probenecid had a lower affinity to the renal transporter than gemifloxacin, ciprofloxacin and M1. Due to its substantially higher concentrations, probenecid inhibited the elimination of the quinolones. The affinity of piperacillin for the renal transporter was 13 times higher compared to flucloxacillin. Piperacillin PK was only slightly affected by flucloxacillin. PK interactions with piperacillin are likely to occur also with other betalactam combinations. PK interactions may be useful to improve the PD profile of an antibiotic, however possibly increased risks for side effects (e.g. risk of rash for gemifloxacin and probenecid) have to be considered. / Es gibt viele Anwendungsgebiete für die PKPD-Modelle wertvoll sind. In der vorliegenden Arbeit wurden Studien zu Dosislinearität, Knochenpenetration und Arzneistoffinteraktionen von Antibiotika mit Hilfe von PKPD-Modellen ausgewertet. Um die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Therapie durch Dosierungsregime mit verschiedenen Dosen, Verabreichungsmethoden oder beidem zu studieren, ist es nötig, Kenntnisse über möglicherweise vorhandene, bei therapeutischen Konzentrationen sättigbare Eliminationswege zu haben. Flucloxacillin und Piperacillin wurden auf ihre Dosislinearität untersucht. Zur Datenanalyse der Dosislinearitätsstudien wurden PopulationsPK-Modelle und MCS verwendet. Mit Hilfe von PopulationsPK kann eine sättigbare Elimination schon bei geringeren Dosen erkannt werden, und die Variabilität zwischen den Probanden kann genauer abgeschätzt werden als mit der STS-Methode. In einer MCS wird die Variabilität in der PK mit der erwarteten Variabilität in der PD kombiniert, um die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Behandlung vorherzusagen. Flucloxacillin zeigte bei 500 mg und 1000 mg keine Sättigung der Elimination. Ein Vergleich verschiedener Dosierungsregime zeigte, dass bei mehrstündiger oder kontinuierlicher Infusion im Vergleich zur Kurzzeitinfusion nur ein Drittel der Dosis benötigt wird, um die gleiche Wahrscheinlichkeit für eine erfolgreiche Behandlung zu erreichen. Für die Behandlung von schweren Infektionen durch empfindliche Staphylokokken ist mehrstündige oder kontinuierliche Infusion eine attraktive Möglichkeit. Im Gegensatz zu Flucloxacillin war die renale, und in einem geringeren Ausmaß auch die nicht-renale Elimination von Piperacillin bei therapeutischen Dosen sättigbar. Die renale Clearance war nach der 3000 mg Dosis um 24% (p = 0.02) verringert im Vergleich zur 1500 mg Dosis. Ein Modell ohne sättigbare Elimination sagte für hochdosierte Kurzzeitinfusionen 6 bis 11% niedrigere, und für niedrig dosierte kontinuierliche Infusion 2 bis 5% höhere Erwartungswerte für die Erfolgswahrscheinlichkeit voraus, als Modelle mit sättigbarer Elimination. Diese Unterschiede hängen von den minimalen Hemmkonzentrationen der Pathogene im jeweiligen Krankenhaus ab. Durch die Berücksichtigung eines vorhandenen sättigbaren Eliminationsweges im Modell kann der Erwartungswert für die Erfolgswahrscheinlichkeit genauer abgeschätzt werden. Die Entwicklung eines mechanistischen Interaktionsmodells ermöglicht es, das Ausmaß einer Interaktion für andere als die hier eingesetzten Dosen von Arzneistoff und Inhibitor vorherzusagen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Interaktionen zwischen Gemifloxacin und Probenecid, sowie zwischen Ciprofloxacin, dessen Metaboliten M1 und Probenecid, und zwischen Flucloxacillin und Piperacillin untersucht. Die mechanistischen Interaktionsmodelle wurden mit Hilfe der STS-Methode entwickelt. Diese Methode bezieht die Konzentrationsabhängigkeit einer Interaktion direkt mit ein und beschreibt den vollständigen zeitlichen Verlauf der Interaktion. Probenecid hemmte die renale Elimination von Gemifloxacin, Ciprofloxacin und M1 signifikant und verringerte leicht die nicht-renale Clearance von Gemifloxacin. Piperacillin verminderte die renale und nicht-renale Clearance von Flucloxacillin signifikant. Für alle drei Interaktionen wurde eine kompetitive Inhibition eines sättigbaren renalen Eliminationsweges als wahrscheinlichster Mechanismus identifiziert. Da alle untersuchten Arzneistoffe aktiver renaler Sekretion unterliegen, ist eine kompetitive Interaktion auch physiologisch sinnvoll. Die Affinität von Probenecid zum renalen Transporter war niedriger als diejenige von Gemifloxacin, Ciprofloxacin und M1. Trotzdem wurde die Elimination der Chinolone durch Probenecid gehemmt, da Probenecid wesentlich höhere Konzentrationen erreichte. Die Affinität von Piperacillin zum renalen Transporter war 13 Mal höher als diejenige von Flucloxacillin. Die PK von Piperacillin wurde durch Flucloxacillin nur leicht beeinflusst. Es ist wahrscheinlich, dass Piperacillin auch mit anderen Betalaktamen PK-Interaktionen eingeht. PK-Interaktionen können zur Verbesserung des PD-Profils eines Antibiotikums genutzt werden, allerdings muss dabei auch das möglicherweise erhöhte Nebenwirkungsrisiko (z.B. Hautausschlag bei Probenecid und Gemifloxacin) bedacht werden.

In klinischen Studien wurden bereits positive Effekte des standardisierten Kiefernrindenextrakts Pycnogenol® auf die Symptome von Patienten mit milden Formen von Kniegelenks-Osteoarthritis ermittelt; hauptsächlich ausgedrückt durch Senkung des WOMAC-Scores. Der hinter dieser Symptomverbesserung zu Grunde liegende Mechanismus wurde jedoch noch nicht untersucht. Deshalb sollten in der vorliegenden Arbeit erstmalig die zellulären pharmakodynamischen Effekte des Nahrungsergänzungsmittels, in Hinblick auf wichtige Marker der Knorpelhomöostase, untersucht werden. Hierfür wurden 30 Patienten mit schweren Gonarthrose-Formen und Indikation zum Kniegelenksersatz in eine randomisiert-kontrollierte Studie eingeschlossen. Die genaue Ursache der Erkrankung Osteoarthritis ist bis heute nicht geklärt, jedoch gilt ein Ungleichgewicht von Knorpelaufbau und –abbau in den betroffenen Gelenken als einer der zentralen Parameter der Pathogenese. Diese Imbalance resultiert in einem sukzessiven Knorpelverlust, der mit einem Entzündungsgeschehen im ganzen Gelenk, also auch unter Beteiligung von Synovium und subchondralen Knochen, einhergeht. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die matrix-abbauenden Enzyme MMPs und ADAMTS sowie proinflammatorische Mediatoren, z.B. das IL-1β. Nach dreiwöchiger Einnahme von 200 mg Pycnogenol® am Tag, konnten wir, im Vergleich zur unbehandelten Kontrollgruppe, eine Senkung der relativen Genexpression von MMP-1, MMP-3 und MMP-13 im Knorpelgewebe feststellen. Bei MMP-3 und MMP 13 war diese Reduktion signifikant. Ebenso wurde die relative Expression von IL-1β statistisch signifikant gesenkt. Im Rahmen der Untersuchung der Entwicklung von Markerkonzentrationen im Serum im Verlauf der Studie wurde eine signifikante Senkung der ADAMTS-5-Konzentrationen bei behandelten Patienten, im Vergleich zur Kontrollgruppe, offenbar. Weiterhin wurden die MMP-13-Konzentrationen im Serum positiv durch Einnahme des Rindenextraktes beeinflusst. In der Körperflüssigkeit, die dem Erkrankungsgeschehen am nähesten kommt, der Synovialflüssigkeit, konnten ebenso hemmende Effekte auf knorpelabbauende Enzyme nach Einnahme von Pycnogenol® beobachtet werden. Hierbei sah man niedrigere Konzentrationen der Marker MMP-1 und MMP-13 sowie der Abbaumarker von Typ-II-Collagen und von Aggrecan in den Gelenkflüssigkeiten der Verum- im Vergleich zu denen der Kontrollgruppe. Im Rahmen von ex-vivo-Versuchen zeigten sich mit beiden Spezimen keine Unterschiede zwischen den beiden Studiengruppen. Die beobachteten Tendenzen konnten durch Korrelationsanalysen untermauert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit liefern den ersten Ansatz zum Verständnis der zellulären Mechanismen, die für die positiven Einflüsse des standardisierten Kiefernrindenextraktes auf die Symptomatik der Gonarthrose verantwortlich sind. Weitere Studien mit einer größeren Studienpopulation und einer Anwendung von Pycnogenol® über einen längeren Zeitraum sind nötig, um diese zellulären Geschehnisse zu bestätigen und näher zu untersuchen. Auf Grund des günstigen Nebenwirkungsprofils von Pycnogenol® ist eine Langzeittherapie zur Verzögerung eines erstmaligen Kniegelenksersatzes durchaus denkbar. Dies hätte den Vorteil, dass das betroffene Gelenk weniger oft ausgetauscht werden müsste, was wegen der begrenzten Haltbarkeit in etwa alle 10 Jahre geschieht. Aus epidemiologischen Studien ist schon seit Längerem bekannt, dass eine hohe tägliche Aufnahme von Polyphenolen über die Nahrung zu geringeren Inzidenzraten neurologischer Erkrankungen, wie z.B. Morbus Parkinson oder Morbus Alzheimer, führt. Auch Pycnogenol® hat in-vivo schon positive Effekte auf diverse neurologische Erkrankungsgeschehen gezeigt. Um zu verstehen, welcher Inhaltsstoff bzw. welche Inhaltsstoffe und/oder Metabolite die Blut-Hirn-Schranke passieren und für diese Wirkungen verantwortlich sein könnten, wurde in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe eines cEND-in-vitro-Modells die Blut-Hirn-Schrankengängigkeit ausgewählter Bestandteile des Extraktes und des Metaboliten M1 untersucht. Dabei zeigte keine der untersuchten Substanzen unter den gewählten Versuchsbedingungen einen quantifizierbaren Übertritt durch den Zellkultur-Monolayer. Auf Grund unserer Versuche ist jedoch eine Aufnahme des M1 und von (+)-Catechin in die Endothelzellen durchaus denkbar. Diese Aufnahme scheint für den M1, in erleichterter Form, durch den GLUT-1-Transporter zu verlaufen. Die positiven Effekte des Nahrungsergänzungsmittels auf neurologische Erkrankungen scheinen nicht durch direkte Einwirkungen im Gehirn selbst verursacht zu werden. Eine stabilisierende Wirkung auf die BHS, die eine wichtige Barriere zum Schutz des Gehirns vor äußeren Einflüssen ist, scheint dafür eine plausiblere Erklärung zu sein. Weiterführende in-vivo-Tierversuche können darüber Aufschluss geben. Zusammenfassend konnte mit der vorliegenden Arbeit ein Beitrag zur Aufklärung der zellulären Effekte des standardisierten Kiefernrindenextraktes bei schwerer Kniegelenks-Osteoarthritis geleistet werden. Zusätzlich konnten wir, mit Hilfe eines rationalen Ansatzes zur Ermittlung der Blut-Hirn-Schrankengängigkeit ausgewählter Inhaltsstoffe von Pycnogenol®, das Verständnis für die positiven Wirkungen von Pycnogenol® im Rahmen neurologischer Erkrankungen erweitern. / In clinical trials, positive effects of standardized pine bark extract (Pycnogenol®) on symptoms of patients with mild forms of knee osteoarthritis were already seen, mostly identified by reduction of WOMAC scores. The underlying mechanisms were not investigated so far. Because of that, in the present work the cellular pharmacodynamic effects of the dietary supplement Pycnogenol® with regard to important markers of cartilage homeostasis should be observed. Therefore, 30 patients with severe forms of knee osteoarthritis, who had an indication for knee replacement surgery, were included. The precise cause of osteoarthritis is so far unknown, but an imbalance of buildup and depletion of cartilage in affected joints is considered to be a hallmark of pathogenesis. This imbalance results in successive loss of tissue, which goes along with inflammatory processes in the whole joint, also affecting synovium and subchondral bone. Here, matrix-degrading enzymes like MMPs and ADAMTS, as well as inflammatory mediators, e.g. IL-1β, play important roles. After daily intake of 200 mg Pycnogenol® over three weeks, reductions of relative gene expressions of MMP-1, MMP-3 and MMP-13 were observed. Regarding MMP-3 and MMP-13, this reduction was statistically significant. Relative gene expression of IL-1β was also diminished significantly. In context of the investigation of marker concentration developments in serum we observed a statistically significant reduction of ADAMTS-5 concentrations during the clinical trial in treated patients in relation to controls. Furthermore, MMP-13 concentrations were positively influenced by oral intake of pine bark extract. Regarding synovial fluid, the body fluid next to disease events, we also determined modulating effects through intake of Pycnogenol®. Here we could observe lower levels of MMP-1 and MMP-13, as well as of markers of degradation of aggrecan and type II collagen, in joint fluids of patients who took Pycnogenol® in relation to control group. In context of ex-vivo-approaches, including both kinds of samples, no differences were observed between the two study groups. The observed tendencies could be confirmed by correlation analysis. The results of the present work provide a first approach to understand the cellular mechanisms, which are responsible for the positive influences of standardized pine bark extract on symptoms of gonarthrosis. More clinical trials with greater study populations and longer intake of Pycnogenol® are needed to confirm the observed cellular effects and to investigate them in more detail. Because of good side effect profile, long-term use of pine bark extract for delaying the date of knee replacement surgery seems possible. Renewing affected joints less often, which takes place around every ten years, would be the advantage of this time lag. From epidemiological studies we know for quite some time that high daily intakes of polyphenols via food result in lower incidence rates of neurological disorders, like e.g. Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. Pycnogenol® also has already shown positive effects on neurological disturbances in-vitro and in-vivo. To understand, which ingredient or which ingredients and/or metabolites, respectively, are responsible for these effects, we measured the blood-brain barrier permeability of selected components of Pycnogenol® and its metabolite M1 in the present work by means of a cEND in-vitro model of this barrier. None of the investigated substances showed a quantifiable transfer through cell culture monolayers under present conditions. On basis of our approaches, an uptake of M1 and (+)-catechine in endothelial cells is reasonable, however. In this context, a facilitated uptake of M1 through GLUT-1 transporters seems likely. Positive influences of the dietary supplement on neurological disorders seem not to be caused by direct effects in brain. A stabilizing impact on the blood-brain barrier, which protects the brain from external influences, could be a more likely explanation. Further in-vivo animal studies possibly could shed more light on this issue. In summary the present work could make a contribution to the elucidation of the cellular mechanisms of standardized maritime pine bark extract in severe gonarthrosis of the knee. Additionally we could enlarge, by means of a rational approach to determine the blood-brain barrier permeability of selected ingredients of Pycnogenol®, the understanding of the positive impacts of Pycnogenol® in neurological disorders.

Universiẗat, Diss., 1995--Konstanz.

Univ., Diss., 1855--Bern.

University, Diss., 2006--Würzburg.

Ziel dieser Arbeit war es die intranasalen pharmakokinetischen Abläufe nach topischer Applikation mittels in vitro und ex vivo Experimenten zu charakterisieren und ihre Auswirkungen auf die Pharmakodynamik zu beschreiben. Es wurden hierbei die nasal angewendeten Glucocorticoide Triamcinolonacetonid (TCA), Budesonid (Bud), Beclomethasondipropionat (BDP), Fluticasonpropionat (FP), Mometasonfuroat (MF) und Fluticasonfuroat (FF) sowie ihre handelsüblichen Präparate Nasacort® (TCA), Budes® (Bud), ratioAllerg® (BDP), Flutide® Nasal (FP), Nasonex® (MF) und Avamys® (FF) untersucht. Zum Aufbringen der Wirkstoffsuspension auf die nasale Mukosa durch den Patienten kommen Dosierpumpsprays zum Einsatz, deren Dosiervorrichtung das Applikationsvolumen festlegen. Die Bestimmung des Sprühstoßvolumens unterschiedlicher handelsüblicher Präparate ergab Werte zwischen 56 und 147 µL/Sprühstoß. Zum ersten Mal wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglichte die Glucocorticoidkonzentration in den wässrigen Überständen handelsüblicher Präparate zu bestimmen. Die Wasserlöslichkeit der unterschiedlichen Glucocorticoide sowie die galenische Zusammensetzung der Formulierungen konnten als mögliche Einflussfaktoren für den bereits gelösten Wirkstoffanteil ermittelt werden. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass die Löslichkeit der Wirkstoffkristalle der lipophileren Substanzen wie BDP, FP, MF und FF durch das KNS signifikant verbessert wurde. Die Löslichkeit der hydrophileren Wirkstoffe wie TCA und Bud wurde durch das KNS dagegen nur leicht beeinflusst. Nach der Auflösung der Wirkstoffkristalle können die gelösten Moleküle zur cytoplasmatischen Zielstruktur, dem Glucocorticoidrezeptor diffundieren und spezifisch binden. Neben der Rezeptorbindung erfolgt auch eine unspezifische Bindung an Nasengewebe. So wurde zunächst mit einem einfachen, bereits etablierten Versuchsaufbau erstmalig die Bindung von FF an Nasengewebe im Vergleich zu anderen Glucocorticoiden in vitro untersucht. Die lipophileren Substanzen wie FF, MF und FP grenzten sich hierbei durch eine höhere Gewebebindung von den hydrophileren TCA und Bud ab. Es wurde ein neues Modell entwickelt, welches die pharmakokinetische Untersuchung zur Gewebebindung mit der Pharmakodynamik der Wirkstoffe in Form ihres antiinflammatorischen Effektes im Zellkulturmodell verknüpfen sollte. So wurde wirkstoffgesättigtes Gewebe einer extensiven Auswaschphase in Humanplasma ausgesetzt, um es anschließend mit humanen Lungenepithelzellen zu inkubieren. Es konnte gezeigt werden, dass alle Gewebeproben den Wirkstoff in das Zellkulturmedium freisetzten, was eine Hemmung der IL-8 Sekretion aus Lungenepithelzellen zur Folge hatte. Die Stärke des antiinflammatorischen Effektes der IL-8 Hemmung durch FF, FP, Bud und TCA entsprach der Kombination aus Geweberetention und intrinsischer Aktivität (Rezeptoraffinität) der Wirkstoffe. Gewebeproben des MF führten zur geringsten IL-8 Hemmung, was durch die chemische Instabilität der Substanz erklärt werden konnte. Um eine weitere Annäherung an physiologische Verhältnisse zu erreichen, wurde erfolgreich ein Modell entwickelt, welches nach Applikation der Suspension auf die Mukosa die pharmakokinetischen Abläufe simulieren sollte. Dafür entscheidend war die Einbettung respiratorischen Gewebes in eine Gel-Matrix, wodurch eine zusammenhängende Mukosa-ähnliche Oberfläche erreicht werden konnte. Als Modellsubstanzen wurden Bud aus Budes®-Nasenspray und FP aus Flutide® Nasal sowie als Vertreter der Antihistaminika Azelastin-HCl (AZ-HCl) aus Vividrin® akut eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die Gewebebindung des AZ-HCl im Vergleich zu den Glucocorticoiden am höchsten war. Die gute Korrelation der Gewebebindung der Substanzen mit ihrem Verteilungsvolumen und der Vergleich von FP mit Bud zeigte die erfolgreiche Etablierung des Modells. Beide Glucocorticoide zeigten nach Applikation der Wirkstoffsuspension zunächst eine ähnliche Assoziation an das Gewebe. Bei der Inkubation der Gewebe-Gel-Matrix mit Humanplasma wurde schließlich Fluticasonpropionat aus der Gewebe-Gel-Bindung im Vergleich zu Budesonid langsam freigesetzt. Weiterhin wurde im Gewebe-Gel-Modell die Bedeutung der Pharmakokinetik der Wirkstoffe auf die Pharmakodynamik ermittelt. Es wurden Freisetzungsproben der Gewebe-Gel-Matrices von AZ-HCl und FP auf ihre antiinflammatorische Aktivität untersucht. Die deutlich höhere Bindung des AZ-HCl an die Gewebe-Gel-Matrix äußerte sich auch in höheren Plasmakonzentrationen bei der Freisetzung im Vergleich zu FP. Jedoch konnte im Zellkulturmodell gezeigt werden, dass die Hemmung der IL-8 Freisetzung des FP, trotz der geringeren Konzentration in der Freisetzungsmatrix, das antiinflammatorische Potential des AZ-HCl übertraf. / The aim of this thesis was to characterize the intranasal pharmacokinetics after topical administration using in vitro and ex vivo experiments and to assess their impact on pharmacodynamic effects. Therefore the nasal glucocorticoids triamcinolone acetonide (TCA), budesonide (Bud), beclomethasone dipropionate (BDP), fluticasone propionate (FP), mometasone furoate (MF) and fluticasone furoate (FF) and their commercially available preparations Nasacort® (TCA), Budes® (Bud), ratioAllerg® (BDP), Flutide® Nasal (FP), Nasonex® (MF) and Avamys® (FF) were part of the analysis. As delivery device metered-dose pump sprays are used to deposit the drug suspension on the nasal mucosa. Their dosing system defines the volume of administration. The determination of the spray volume of different commercially available nasal pump sprays revealed results between 56 and 147 µL/volume per spray. For the first time a method was developed which permitted the determination of glucocorticoid concentrations in the aqueous supernatants of commercially available drug suspensions. Both water solubility of the different compounds and the galenics of the formulation were found to affect the proportion of solute glucocorticoid in the supernatant. For the first time it was shown that the solubility of the more lipophilic compounds BDP, FP, MF and FF was significantly enhanced in ANF. In contrast, the solubility of the more hydrophilic drugs TCA and Bud was only slightly influenced by ANF. After dissolution of the drug crystals the solubilised molecules can reach their cytoplasmatic target, the glucocorticoid receptor, and bind specifically. Beside the receptor binding a nonspecific tissue binding to nasal tissue occurs. On the one hand a high tissue binding is desirable to increase the probability of occupating the receptor for a prolonged time. In addition, tissue-bound glucocorticoid slows down the redistribution of the drug into the systemic circulation delivering desired low plasma concentrations. In an established experimental set-up the binding of FF compared to different glucocorticoids to nasal tissue in vitro was analysed for the first time. The more lipophilic compounds FP, MF and FF revealed higher tissue binding and differed from the more hydrophilic TCA and Bud with less tissue-bound drug. The anti-inflammatory activity of intranasal glucocorticoids is responsible for their therapeutic benefit. A new model was established connecting the pharmacokinetic assay of tissue binding with the anti-inflammatory activity of the drugs in cell culture. Therefore, glucocorticoid-saturated tissue samples were extensively washed in human plasma and then incubated with human lung epithelial cells. All tissue samples released tissue bound drug into cell culture medium and decreased the IL-8 secretion of the cells. The intensity of the anti-inflammatory effect of IL-8 inhibition by FF, FP, Bud and TCA was in good correlation with both their tissue retention and their intrinsic activity (receptor affinity). Tissue samples of MF resulted in the least IL-8 inhibition. The chemical instability of MF explained this observation of lower anti-inflammatory activity. To converge physiologic conditions a new model was successfully established which allowed the simulation of the pharmacokinetic course of events after administration of the formulation on the mucosa, the dissolution of crystals in nasal mucus, the mucociliary clearance, the diffusion and retention of drugs at the target tissue and the redistribution of the bound drug into the blood compartment. The hallmark of this approach was the embedding of respiratory tissue in a gel matrix simulating a coherent mucosa-like surface. Both glucocorticoids Bud (Budes® nasal spray) and FP (Flutide® Nasal) and Azelastine-HCl (AZ-HCl, Vividrin® akut) as a representative of antihistamines were analysed. The experiments showed highest tissue binding for AZ-HCl compared to the glucocorticoids. On the one hand this was due to the application of AZ as a salt in solution, on the other hand it was ascribed to the high lipophilicity of the drug. Good correlation of drug tissue binding with the drug’s volume of distribution reflected the successful introduction of the model. After application of drug suspensions both glucocorticoids showed a similiar association to the tissue. Incubation of the tissue-gel matrix in human plasma revealed in a slower release of FP compared to Bud. Moreover, the impact of pharmacokinetics for the pharmacodynamic effect was analysed in the tissue-gel-model. Samples of tissue gel incubation in human plasma from both AZ-HCl and FP were analysed for their anti-inflammatory activity. The clearly higher binding of AZ-HCl to the tissue-gel matrix yielded higher plasma concentrations compared to FP. However, the experiments revealed that the inhibition of the IL-8 release by FP samples exceeded the anti-inflammatory potential of AZ-HCl samples.

In der vorliegenden Arbeit wurden vielfältige pharmakokinetische bzw. molekularpharmakodynamische Aspekte topisch angewandter Glucocorticoide untersucht und deren klinische Relevanz diskutiert. Um die Potenz der Glucocorticoide vergleichen zu können, wurden deren relative Rezeptoraffinitäten zum humanen Glucocorticoidrezeptor mit Dexamethason als Referenzsubstanz bestimmt. Dabei zeigte sich, dass Glucocorticoide der neueren Generation wie Mometasonfuroat und Fluticasonpropionat sich in ihrer Assoziationskinetik unterschieden, während die Dissoziationskinetik vergleichbar war. Damit wurde erstmals für Mometasonfuroat eine relative Rezeptoraffinität berechnet, die einen unmittelbaren Vergleich mit weiteren in der Literatur publizierten Daten anderer Glucocorticoide erlaubte. Diese relative Rezeptoraffinität ist die höchste aller soweit bekannten inhalativen Glucocorticoide. In Kompetitionsversuchen wurde erstmals gezeigt, dass die in vitro nachgewiesenen Metabolite des Mometasonfuroats eine signifikante Rezeptoraffinität aufwiesen. Die Potenz dieser Metabolite ist dabei vergleichbar mit der von anderen inhalativ angewandten Corticosteroiden, wie Flunisolid und Triamcinolonacetonid. Mometasonfuroat konnte damit als das einzige inhalative Glucocorticoid charakterisiert werden, dessen Metabolite affiner als Dexamethason sind. Weiterführend zu den Erkenntnissen zur Rezeptorkinetik des Mometasonfuroats und Fluticasonpropionats wurde erstmals die vergleichende Kinetik der mRNA-Induktion auf zellulärer Ebene untersucht. Diese wurde am Beispiel des Glucocorticoid-regulierten CD163 in humanen Monocyten verfolgt. Es wurde eine Methode adaptiert, die schließlich eine Quantifizierung der CD163-mRNA mittels Real-time-PCR ermöglichte. Es zeigte sich, dass die Anzahl der neu gebildeten mRNA-Kopien direkt von der Rezeptoraffinität und der Konzentration des Mometasonfuroats und Fluticasonpropionats abhängig war. Die unterschiedliche Assoziationsgeschwindigkeit der beiden Glucocorticoide spiegelte sich jedoch nicht in einer schnelleren Induktion der CD163-mRNA wider. Neben der spezifischen Rezeptorbindung werden Glucocorticoide auch unspezifisch an Gewebe gebunden. Es wurden erstmals umfassende In-vitro-Versuche zur Bindung des Mometasonfuroats, Ciclesonids und seines aktiven Metaboliten an humanes Lungengewebe durchgeführt. Die Adsorption der Glucocorticoide an humanes Lungengewebe verlief schnell und war vergleichbar hoch. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Substanzen beruhten dabei auf den nach Equilibrierung mit Plasma im Gewebe verbleibenden Konzentrationen. Es stellte sich heraus, dass Mometasonfuroat im Vergleich zu Fluticasonpropionat, Ciclesonid und dessen aktivem Metabolit Desisobutyryl-Ciclesonid die niedrigste Gewebeaffinität aufwies (Fluticasonpropionat > Ciclesonid > Desisobutyryl-Ciclesonid > Mometasonfuroat). Es konnte eine gute Übereinstimmung der in vitro Bindungsverhältnisse an Lungengewebe mit klinischen In-vivo-Daten aufgezeigt werden. Aus den zuvor in der Literatur beschriebenen Untersuchungen ließen sich zwar Hinweise auf die hepatische Metabolisierung des Mometasonfuroats entnehmen, doch Ergebnisse einer möglichen Metabolisierung bzw. der Stabilität in humanem Spezimen von therapeutischer Relevanz lagen soweit nicht vor. Somit wurde die Stabilität dieses Glucocorticoids im humanen Lungengewebe und Plasma systematisch untersucht. Dabei wurde eine unbekannte Substanz detektiert, die mittels HPLC-MS/MS, 1H- und 13C-NMR eindeutig als das 9,11-Epoxid des Mometasonfuroats identifiziert wurde. Kompetitionsversuche am humanen Glucocorticoidrezeptor zeigten, dass die relative Rezeptoraffinität des 9,11-Epoxy-Mometasonfuroats hoch war und wiederum vergleichbar mit der Bindungsaffinität des Triamcinolonacetonid oder Flunisolid. Das Auflösungsverhalten inhalativ angewandter Glucocorticoide in Bronchialflüssigkeit spielt eine entscheidende Rolle für deren weitere Verteilungskinetik und Wirkungen. Es wurde erstmals eine Methode entwickelt, mit der neben Morphologie und Größe der Partikel aus kommerziell erhältlichen Arzneiformen auch das Auflösungsverhalten in Bronchialsekret untersucht werden konnte. Durch den Einsatz der Raster-Elektronen-Mikroskopie wurde eine maximale Sensitivität zur Beobachtung der Partikelveränderungen bis zu einer Größe von 0,5 µm gewährleistet. Am Beispiel des Beclomethasondipropionats wurde gezeigt, dass die Arzneistoffpartikel aus verschiedenen Dosieraerosolen nach einer raschen Auflösung rekristallisieren. Erst diese Rekristallisation ist offenbar die Grundlage für eine nachfolgende langsame Auflösung und Umverteilung des Arzneistoffs ins Plasmakompartiment. Da diese neuartigen Beobachtungen in vollkommener Übereinstimmung mit pharmakokinetischen Daten nach Inhalation dieses Glucocorticoids stehen, darf angenommen werden, dass sich vergleichbare Vorgänge in vivo abspielen. / In the present thesis, various pharmacokinetic and molecularpharmacodynamic aspects of topical glucocorticoids were investigated and their clinical relevance was discussed. To be able to compare the potency of glucocorticoids, their relative receptor affinities to the human glucocorticoid receptor was determined with reference to dexamethasone. The assays revealed that newer glucocorticoids like mometasone furoate and fluticasone propionate differed in their association kinetics, while they displayed comparable dissociation kinetics. For the first time a relative receptor affinity of mometasone furoate was calculated that could be directly compared with published data of other glucocorticoids. This relative receptor affinity is the highest among all known glucocorticoids so far. Competition assays revealed the novel finding that metabolites of mometasone furoate that had been detected in vitro have a significant receptor affinity. The potency of these metabolites is comparable with inhaled glucocorticoids like flunisolide and triamcinolone acetonide. Thus, mometasone furoate was characterized as the only inhaled glucocorticoid with metabolites more potent than dexamethasone. In extension to insights into receptor kinetics of mometasone furoate and fluticasone propionate, comparative kinetics of mRNA-induction were investigated on cellular level for the first time. For this purpose CD163 served as an example of a glucocorticoid-regulated gene in human monocytes. A method was adapted that ultimately allowed the quanitification of CD163-mRNA via real-time-PCR. It was shown that the amount of newly formed mRNA-copies was directly related to receptor affinity and concentration of mometasone furoate and fluticasone propionate. The differences in association velocity did not result in diverse induction rate of CD163-mRNA. Besides specific receptor binding, glucocorticoids are bound nonspecifically to tissues as well. For the first time, extensive in-vitro experiments about binding of mometasone furoate, ciclesonide and its active metabolite to human lung tissue were conducted. The adsorption of glucocorticoids to human lung tissue proceeded quickly and was comparably high. Substantial differences amongst compounds were due to different concentrations remaining in tissue after equilibration with plasma. It emerged that mometasone furoate had the lowest tissue affinity in comparison to fluticasone proprionate, ciclesonide and its active metabolite desisobutyryl-ciclesonide (fluticasone proprionate > ciclesonide > desisobutyryl-ciclesonide > mometasone furoate). A good agreement of in vitro binding to lung tissue with in vivo clinical studies was shown. Though information on hepatic metabolism of mometasone furoate could be found in published literature data about possible metabolism or stability in human specimen of therapeutic relevance were lacking so far. Consequently, the stability of this glucocorticoid in human lung tissue and plasma was investigated systematically. Thereby, an unknown substance was detected that was unambiguously identified as 9,11-epoxide of mometasone furoate via HPLC-MS/MS, 1H- and 13C-NMR. Competition assays revealed a high relative receptor affinity of 9,11-epoxy-mometasone furoate that was again comparable to binding affinity of triamcinolone acetonide or flunisolide. The dissolution characteristics of glucocorticoids in bronchial fluid play a pivotal role for their distribution and effects. For the first time, a method was developed that allows assessing morphology and size of drug particles from commercially available devices as well as monitoring the particle dissolution in bronchial fluid. Utilizing scanning electron microscopy maximal sensitivity for following changes of particles down to a size of 0.5 ƒÝm was ensured. With beclomethoasone dipropionate as an example, it was shown that particles of different pressurized metered dose inhalers initially dissolve quickly and then recrystallize. This process seems to be the basis for the subsequent slow dissolution and redistribution of the compound into the plasma compartment. As these novel observations are in complete agreement with pharmacokinetic data after inhalation of this glucocorticoid, it can be assumed that comparable processes take place in vivo.