Mehrere Studien wiesen eine Beteiligung der Enzyme CYP2D6, CYP2C19 und CYP2C9 am Metabolismus von trizyklischen Antidepressiva nach. Wir untersuchten die Auswirkungen genetischer Polymorphismen dieser Enzyme auf die Pharmakokinetik von E-, Z-Doxepin und Trimipramin beim Menschen. Eine einzelne orale Dosis von jeweils 75 mg Trimipramin und Doxepin wurde 42 gesunden Probanden verabreicht, die als Schnell- (EM), Intermediär- (IM) und Langsammetabolisierer (PM) von CYP2D6- und CYP2C19-Substraten und als Langsammetabolisierer mit dem CYP2C9-Genotyp *3/*3 genotypisiert worden waren. Die Substrate sowie ihre aktiven Metaboliten wurden mittels HPLC im Plasma gemessen, Daten wurden mit nonparametrischen pharmakokinetischen Methoden analysiert und statistisch ausgewertet. Die mittlere E-Doxepin-Clearance (95%-KI) betrug 406 (390-445), 247 (241-271) and 127 (124-139) l/h bei CYP2D6-EMs, -IMs und –PMs und war auch bei Trägern des CYP2C9*3/*3-Genotyps signifikant niedriger (238 l/h). CYP2C19 beeinflusste die orale Clearance von Z-Doxepin um das 2,5-fache (73 l/h in CYP2C19-PMs verglichen mit 191 l/h bei EMs). Die AUC (0-48h) des aktiven Metaboliten Desmethyldoxepin war vom CYP2D6-Genotyp abhängig mit einem Median von 5,28, 1,35 und 1,28 nmol/l*h bei CYP2D6-PMs, -IMs und –EMs. Die mittlere orale Trimipramin-Clearance betrug 276 l/h (180-444) in der Referenzgruppe aber nur 36 l/h (24-48) bei CYP2D6-PMs. Die AUC von Desmethyltrimipramin war 40-fach höher bei CYP2D6-PMs als bei EMs (1,7 verglichen mit 0,04 mg/l*h bei EMs), aber unter der Nachweisgrenze bei den meisten Probanden mit CYP2C19- oder CYP2C9-Defizienz. Der CYP2D6-Polymorphismus wies eine starke Auswirkung auf die Pharmakokinetik von E-Doxepin und Trimipramin sowie eine ausgeprägte Stereoselektivität bei der Biotransformation von Doxepin auf. CYP2D6-PMs sind möglicherweise einem erhöhten Risiko für unerwünschte Nebenwirkungen ausgesetzt bei der Behandlung mit den EMpfohlenen Dosen dieser Antidepressiva. / Several studies have demonstrated involvement of the enzymes CYP2D6, CYP2C19 and CYP2C9 in the metabolism of tricyclic antidepressants. We studied the effects of genetic polymorphisms in these enzymes on E-,Z-doxepin and trimipramine pharmacokinetics in humans. A single orale dose of each 75 mg timipramine and doxepin was given to 42 healthy volunteers genotyped as extensive (EM), intermediate (IM) and poor (PM) metabolizers of substrates of CYP2D6 and of CYP2C19 and as slow metabolizers with the CYP2C9 genotype *3/*3. E-,Z-doxepin and -desmethyldoxepin as well as trimipramine and desmethyltrimipramine were quantified in plasma by HPLC. Data were analyzed by non-parametric pharmacokinetics and statistics. Mean E-doxepin clearance (95% confidence interval) was 406 (390-445), 247 (241-271) and 127 (124-139) l/h in EMs, IMs and PMs of CYP2D6 and was also significantly lower in carriers of CYP2C9*3/*3 (238 l/h). CYP2C19 was involved in Z-doxepin metabolism with 2.5-fold differences in oral clearances (73 l/h in CYP2C19 PMs compared with 191 l/h in EMs). The AUC (0-48 h) of the active metabolite desmethyldoxepin was dependent on CYP2D6 genotype with a median of 5.28, 1.35 and 1.28 nmol/l*h in PMs, IMs and EMs of CYP2D6. The genetically polymorphic enzymes exhibited highly stereoselective effects on doxepin biotransformation in humans. The median oral clearance of trimipramine was 276 l/h (180-444) in the reference group but only 36 l/h (24-48) in CYP2D6-PMs. The AUC of desmethyltrimipramine was 40-fold greater in CYP2D6 PMs than in the reference group (1.7 vs. 0.04 mg/l*h in EMs), but below the quantification limit in most carriers of deficiencies of CYP2C19 or CYP2C9. The CYP2D6 polymorphism had a strong impact on E-doxepin and trimipramine pharmacokinetics and CYP2D6-PMs might be at an elevated risk for adverse drug effects when treated with common recommended doses of these antidepressants.

Im Bereich der medikamentösen antidepressiven Therapie ist die Bedeutung von erblichen Polymorphismen arzneistoffmetabolisierender Enzyme bereits in vielen Studien untersucht und gezeigt worden. Die meisten Antidepressiva werden über polymorphe Cytochrom-P450-Enzyme verstoffwechselt. Diese Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, ob die Häufigkeitsverteilung der CYP2D6-, CYP2C19- und CYP2C9-Allele in der an Depression erkrankten Studienpopulation sich von der in der Normalbevölkerung unterscheidet und ob Veränderungen in der Pharmakokinetik, wie sie durch Cytochrom-P450-Polymorphismen verursacht werden, unter normalen klinischen Bedingungen Auswirkungen auf die Wirksamkeit der antidepressiven Therapie, die Nebenwirkungsrate und den Verlauf der Erkrankung haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 334 Patienten auf die häufigsten CYP2D6-Allele (*3,*4,*5,*6 und Duplikation) und CYP2C19- und CYP2C9-Allele *2 und *3 mittels Genotypisierung untersucht. Die Bestimmung der seltener auftretender CYP2D6-Allele (*8,*9,*10,*17,*2 und *41) erfolgte zusätzlich bei 200 Patienten. Die entsprechenden klinischen Fragebögen mit Angaben zur Anamnese, Schwere der Erkrankung, Therapieverlauf und Nebenwirkungsprofil wurden von 233 Patienten in Abhängigkeit des CYP2D6- und CYP2C19-Genotyps ausgewertet. Für die Beurteilung des Langzeittherapieverlaufs standen jedoch deutlich weniger Patientendaten zur Verfügung, so dass die Ergebnisse zum Teil nur für den CYPD6-Genotyp ausgewertet werden konnten. Die genetischen Analysen ergaben, dass die Häufigkeitsverteilung der CYP2D6-, CYP2C19- und CYP2C9-Polymorphismen in der untersuchten Studienpopulation keine signifikante Änderung im Vergleich zur Normalbevölkerung aufwies. Während der Einfluss der CYP2D6-Genotypen auf pharmakokinetische Parameter eindeutig nachgewiesen ist, konnten die Ergebnisse dieser Arbeit weitestgehend keinen Zusammenhang zwischen der Schwere der Depression, der Therapieresponse, der Häufigkeit und Schwere der Nebenwirkungen und dem CYP2D6- und CYP2C19-Genotyp herstellen. / The importance of genetic polymorphisms of drug metablizing enzymes have been already investigated und proved in many studies before. Most of antidepressants are metabolized by cytochrome P450 enzymes. The aim of this study was to determine if there is a difference in the distribution of CYP2D6-, CYP2C19- and CYP2C9-allels in inpatients with major depression in comparison to the healthy population and if changes in the pharmacokinatic, created by cytochrome P450 polymorphisms, can be have effects on the efficacy of antidepressant therapy, rate of intolerable side effects and development of the depression. We examined 334 patients by genotyping for the most important CYP2D6-allels (*3,*4,*6,*5 und duplication) and the CYP2C19- and CYP2C9-allels *2 and *3. Further 200 patients were tested for the more infrequent CYP2D6-allels (*8,*9,*10,*17,*2 and *41). The corresponding clinical questionnaires containing informations about the anamnesis, severity of the desease, therapeutic outcome and intolerable side effects have been evaluated of 233 patients in dependence of the CYP2D6- and CYP2C19-genotype. There were significant less clinical datas for the evaluation of long term therapy response be available, so that the results could be partially only analysed for the CYP2D6-genotype. The genetic analysis detected that the distribution of the CYP2D6-, CYP2C19- and CYP2C9-polymorphismen in the study population didn´t reached significant changes in comparison to the healthy population. While the influence of CYP2D6-genotypes on pharmacokinatic parameters is clear demonstrated, the results of this study mainly couldn´t establish a relation between the severity of depression, therapeutic response, frequency and severity of side effects and the CYP2D6 and CYP2C19-genotype.

Serotonin gilt als Hauptangriffsstelle gängiger Antidepressiva bei schweren Depressionen, wie bspw. selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI), und -Enhancer (SSRE). Es bleibt offen, ob SSRI / E ausschließlich über die Manipulation des Serotoninspiegels wirken, oder ob alternative Signalwege daran beteiligt sind. Ansatzpunkte hierfür sind beispielsweise die neurotrophen Signalwege (spez. Brain derived neurotophic factor, BDNF) oder die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren- (HPA) – Signalwege des Stressachsensystems. Ebenfalls wurde in Nagetiermodellen beobachtet, dass mit der Dysregulation des zentralen Serotoninsystems bei schweren Depressionen, ein Rückgang der Neurogenese im Gyrus dentatus des Hippocampus einhergeht. Ziel dieser Arbeit war, das Zusammenspiel von Serotonin, BDNF, adulter Neurogenese und der Stressachse zu untersuchen. Zentrum der Studien ist ein Mausmodell, mit einer genetischen Depletion des zentralen Serotonin-synthetisierenden Enzyms Tryptophanhydroxylase 2 (sog. Tph2-/- Mäuse). Es wurden die physiologische Reaktionen auf die Behandlung mit gängigen Antidepressiva abhängig von der Abwesenheit von Serotonin untersucht, um mögliche alternative Signalwege aufzeigen zu können. Die bekannte Zunahme der Neurogenese nach SSRI/SSRE-Behandlung wurde in Wildtyptieren beobachtet, während die Therapie in Tph2-/- Mäusen keine direkte kausale Wirkung zeigte. Im Gegensatz dazu waren die BDNF-Spiegel in depressionsrelevanten Hirnregionen in Tph2-/- Mäusen nach SSRI, signifikant verringert. Auch zeigen die Studien eine neurobiologische Relevanz von Serotonin im ZNS, bei den antidepressiven Mechanismen einer Elektrokonvulsiven Krampftherapie. Ebenfalls deuten erhöhte Neurogeneseraten bei lebenslanger Abwesenheit von Serotonin im ZNS, Therapiemethoden-unabhängig, möglicherweise auf eine modulierte Stressreaktion hin. Untersuchungen der Parameter des HPA-Stressachsensystems, wiesen auf einen grundlegend veränderten Stresshormonspiegel in Tph2-/- Mäusen hin. / Serotonin, the "molecule of happiness" is an important target for antidepressants. The mainly prescribed drugs in major depression are selective serotonin re-uptake inhibitors (SSRI); but recently, SSR-enhancer (SSRE) have also attracted clinical attention. However, only a quarter of patients responds to treatment. It needs to be determined, whether SSRI/E act solely via manipulating serotonin levels or whether other pathways are involved, e.g. neurotrophic signaling (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) or the hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA)-axis. Furthermore, in major depression, dysregulation of central serotonin signaling is accompanied with a decline in hippocampal neurogenesis, as has been observed in rodent models. At the center of this thesis is a mouse model deficient in the central serotonin-synthesizing enzyme, tryptophan hydroxylase 2 (Tph2-/- mice). I have investigated physiological responses to antidepressant treatment in the absence of brain serotonin, and the possible role of alternative pathways. I observed the typical increase in neurogenesis upon SSRI treatment in WT mice, while it had no effect in Tph2-/- mice. In contrast, BDNF levels were significantly decreased in Tph2-/- mice after treatment with no effect in WT control mice. Furthermore, my results show a critical role of brain serotonin in the neurobiological effects of electroconvulsive seizure. Surprisingly, in animals lacking central serotonin, increased neurogenesis was observed independently of the treatment. The gathered data indicated an altered stress response; therefore, parameters of the HPA-axis have been studied, indicating a downregulated HPA system in Tph2-/-animals in baseline state, but showed no difference in treatment or feedback control. This thesis gives insight into the mechanisms of antidepressant action and reveals ideas for novel pathways involved in the process that could be used as targets in therapeutic approaches and further research in major depression.