Die Phänotypisierung von Cytochrom P450 (CYP) und Leberfunktionstests sind wichtige Methoden in der Klinik. Die Methoden nutzen die Pharmakokinetik (PK) von Testsubstanzen und ihren Metaboliten, um Einblicke in die Stoffwechselkapazität der Leber und in die Aktivität von Enzymen und Transportern zu gewinnen. Die Leberfunktionstests werden nicht nur von zahlreichen Proband:innenmerkmalen, sondern auch von den Besonderheiten der Untersuchung beeinflusst. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die verschiedenen Faktoren, die das Ergebnis der Messungen beeinflussen, voneinander zu trennen, um ihren jeweiligen Einfluss auf das Messergebniss zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde die Herausforderung durch Metaanalysen und physiologisch basierte Pharmakokinetik Modellierung (PBPK) angegangen. Es wurde eine offene Pharmakokinetik-Datenbank (PK-DB) entwickelt und PK-Daten für ein breites Spektrum von Testsubstanzen kuratiert. Meines Wissens enthält PK-DB derzeit den größten offenen PK-Datensatz zu Testsubstanzen. Der Datensatz ermöglichte die Identifizierung und Quantifizierung von demografischen und rassischen Bias (Geschlecht, ethnische Zugehörigkeit, Alter, Gesundheitszustand), Meldefehlern und Unstimmigkeiten in der Literatur. Auf der Grundlage der Daten wurde eine Metaanalyse der PK von Koffein im Hinblick auf verschiedene Faktoren bzgl. Leberfunktion und CYP1A2-Aktivität durchgeführt. Insbesondere wurde das vorhandene Wissen über die Auswirkungen des Rauchens, der Einnahme oraler Verhütungsmittel, verschiedener Krankheiten und Begleitmedikationen auf die PK von Koffein durch Metaanalysen und Datenintegration konsolidiert. Ebenso wurde die Messgenauigkeit der Koffeinkonzentration in Bezug auf den Messprotokol analysiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss des CYP2D6-Polymorphismus untersucht. Hierzu wurde ein PBPK-Modell für Dextromethorphan und seine Metaboliten Dextrorphan und Dextrorphan O-Glucuronid entwickelt und mit den PK-Daten kalibriert und validiert. / Cytochrome P450 (CYP) phenotyping and dynamic liver function testing are essential methods in clinical practice. These methods utilize the pharmacokinetics (PK) of test substances and their metabolites to gain insight into the liver's metabolic capacity and the activity of enzymes and transporters. Liver function tests are not only influenced by numerous characteristics of a studied subject but also by the specifics of individual study procedures. A key challenge is to disentangle the various factors which influence the outcome of the measurements from each other to study their influence on the dynamic liver function and CYP phenotype. In this work, the challenge was addressed through meta-analysis and physiologically based pharmacokinetic modeling. As a foundation, an open pharmacokinetics database was developed and pharmacokinetics data were curated for a wide range of test substances. To my knowledge, PK-DB currently contains the largest open pharmacokinetic dataset on substances used for phenotyping and dynamical liver function testing. The dataset allowed for identifying and quantifying demographic and racial bias (sex, ethnicity, age, health), reporting errors, and inconsistencies in pharmacokinetic literature. Based on the data, a caffeine pharmacokinetics meta-analysis was conducted concerning various factors affecting liver function and CYP1A2 activity. In particular, meta-analysis and data integration solidified existing knowledge on the effects of smoking, oral contraceptives, multiple diseases, and co-medications on caffeine pharmacokinetics. Similarly, the measurement accuracy of caffeine concentration was investigated with respect to various aspects of the measurement protocol. In addition, the impact of CYP2D6 polymorphism was investigated. Therefore, a PBPK model of dextromethorphan (DXM) and its metabolites dextrorphan (DXO) and dextrorphan O-glucuronide (DXO-Glu) was developed, and calibrated, and validated with pharmacokinetics data.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments constitue une problématique importante pouvant causer des effets indésirables ou l’échec d’un traitement. Ces variabilités peuvent être causées par une diminution de l’activité de l’enzyme responsable du métabolisme de certains médicaments, fréquemment les cytochromes P450, un système enzymatique majeur dans le métabolisme de ces derniers. Ces enzymes sont sujets à des mutations génétiques appelées polymorphismes, qui altèrent l’activité métabolique. Il est donc important d’évaluer le rôle de ces enzymes dans le métabolisme des médicaments afin d’identifier leur responsabilité dans la variabilité interindividuelle de la réponse au traitement. Parmi l’important système enzymatique que représentent les cytochromes P450, l’isoenzyme CYP2D6 est particulièrement étudiée, ses variations métaboliques revêtant une haute importance clinique. L’un des substrats du CYP2D6 est l’oxycodone, un analgésique narcotique largement prescrit en clinique. Une grande variabilité est observée dans la réponse analgésique à l’oxycodone, variabilité pouvant être causée par un polymorphisme génétique. Il est connu que des variations génétiques dans le CYP2D6 compromettent la réponse analgésique à la codéine en rendant moins importante la formation de son métabolite actif, la morphine. Par analogie, plusieurs études supportent l’hypothèse selon laquelle le métabolite oxymorphone, formée par l’isoenzyme CYP2D6, serait responsable de l’analgésie de l’oxycodone. Une déficience génétique de l’enzyme compromettrait la réponse analgésique au médicament. Les travaux effectués dans le cadre de ce mémoire ont démontré que l’inhibition du CYP2D6 chez des sujets volontaires réduit de moitié la production d’oxymorphone, confirmant l’importante implication de l’enzyme dans le métabolisme de l’oxycodone. Ces résultats démontrent une forte ressemblance avec le métabolisme de la codéine, suggérant que l’oxymorphone pourrait être responsable de l’analgésie. Cependant, les travaux effectués n’ont pu établir de relation entre la concentration plasmatique d’oxymorphone et le niveau d’analgésie ressenti par les sujets. La continuation des études sur le mécanisme d’action de l’oxycodone dans la réponse analgésique est essentielle afin d’établir la source des variabilités interindividuelles expérimentées par les patients et ainsi d’éviter des effets secondaires ou lacunes dans le traitement. / Intersubject variability in drug response is an important issue provoking side effects or treatment failure. Such variability may be caused by the decreased activity of the enzyme metabolising the drug, frequently cytochromes P450, a major enzyme system in drug metabolism. These enzymes are prone to genetic mutations called polymorphisms, which alter their metabolic activity. It is therefore important to assess the role of these enzymes to identify their responsibility in the intersubject variability of the drug. Among the important enzyme system that represents the cytochrome P450, CYP2D6 is particularly studied for its genetic polymorphisms, which are of clinical importance. One of CYP2D6 substrates is oxycodone, a narcotic analgesic widely prescribed in clinical practice. A large variability is observed in the analgesic response to oxycodone, which could be caused by genetic polymorphism. It is known that these variations affect the analgesic response to codeine, which form the active metabolite morphine by CYP2D6 to be effective. Several studies support the hypothesis that oxymorphone, a metabolite formed by CYP2D6, has the analgesia properties, in a similar mechanism to codeine. A genetic deficiency in the enzyme would compromise the analgesic response to the drug. Results obtained from our laboratory indicate that inhibition of CYP2D6 halved oxymorphone production, confirming the significant involvement of the enzyme in the metabolism of oxycodone. These results demonstrate a strong resemblance to codeine metabolism, suggesting that oxymorphone may be responsible for analgesia. We could not find a relationship between plasma concentration of oxymorphone and analgesia level experienced by subjects. Studies on oxycodone mecanism of action in the analgesic response should continue to establish the source of intersubject variability experienced by patients and thus avoid side effects or gaps in treatment.

CYP2D6 metabolizes codeine to morphine, the active analgesic metabolite. Variation in brain CYP2D6 activity may affect brain morphine levels after codeine administration and thereby influence analgesia. We investigate the effect of inhibiting brain CYP2D on codeine-induced analgesia. METHODS: Rats received intracerebroventricular (i.c.v.) injections of CYP2D inhibitors or vehicle controls. Rats were then given subcutaneous codeine injections and analgesia was measured with the tail-flick test. Morphine and codeine concentrations in brain and plasma were measured. CYP2D activity in brain and liver were assessed in vitro. RESULTS: Compared to vehicle treatment, i.c.v. inhibitor treatments resulted in lower codeine-induced analgesia, lower morphine levels in brain but not in plasma after codeine injections, and lower CYP2D activity in brain membranes but not in liver microsomes. CONCLUSIONS: Inhibiting brain CYP2D reduces codeine’s metabolism to morphine, resulting in less analgesia. Variation in brain CYP2D6 activity may influence response to codeine and other CYP2D6 substrates.

CYP2D6 metabolizes codeine to morphine, the active analgesic metabolite. Variation in brain CYP2D6 activity may affect brain morphine levels after codeine administration and thereby influence analgesia. We investigate the effect of inhibiting brain CYP2D on codeine-induced analgesia. METHODS: Rats received intracerebroventricular (i.c.v.) injections of CYP2D inhibitors or vehicle controls. Rats were then given subcutaneous codeine injections and analgesia was measured with the tail-flick test. Morphine and codeine concentrations in brain and plasma were measured. CYP2D activity in brain and liver were assessed in vitro. RESULTS: Compared to vehicle treatment, i.c.v. inhibitor treatments resulted in lower codeine-induced analgesia, lower morphine levels in brain but not in plasma after codeine injections, and lower CYP2D activity in brain membranes but not in liver microsomes. CONCLUSIONS: Inhibiting brain CYP2D reduces codeine’s metabolism to morphine, resulting in less analgesia. Variation in brain CYP2D6 activity may influence response to codeine and other CYP2D6 substrates.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2009. / Härtill 4 uppsatser.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

CYP2D6 metabolizes a range of centrally acting drugs, neurotoxins, and endogenous neurochemicals. Higher levels of brain, but not liver, CYP2D6 have been identified in alcoholics and smokers, suggesting exposure to ethanol and/or nicotine may induce brain CYP2D6. We investigated the independent and combined effects of chronic ethanol self-administration and nicotine treatment on CYP2D expression. METHODS: Monkeys were randomized into 4 groups of 10/group consisting of a control group, ethanol-only group, nicotine-only group, and a combined ethanol and nicotine group; treatments occurred for 64 days. RESULTS: Exposure to chronic ethanol and nicotine induced CYP2D across various brain regions and cell types, particularly when both drugs were given in combination. No changes in protein levels were observed in liver or in CYP2D mRNA levels in liver and brain. CONCLUSIONS: Ethanol and nicotine increase brain CYP2D levels, which may affect CNS drug response, neurodegeneration and personality among those exposed to alcohol and/or nicotine.

CYP2D6 metabolizes a range of centrally acting drugs, neurotoxins, and endogenous neurochemicals. Higher levels of brain, but not liver, CYP2D6 have been identified in alcoholics and smokers, suggesting exposure to ethanol and/or nicotine may induce brain CYP2D6. We investigated the independent and combined effects of chronic ethanol self-administration and nicotine treatment on CYP2D expression. METHODS: Monkeys were randomized into 4 groups of 10/group consisting of a control group, ethanol-only group, nicotine-only group, and a combined ethanol and nicotine group; treatments occurred for 64 days. RESULTS: Exposure to chronic ethanol and nicotine induced CYP2D across various brain regions and cell types, particularly when both drugs were given in combination. No changes in protein levels were observed in liver or in CYP2D mRNA levels in liver and brain. CONCLUSIONS: Ethanol and nicotine increase brain CYP2D levels, which may affect CNS drug response, neurodegeneration and personality among those exposed to alcohol and/or nicotine.

La variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments constitue une problématique importante pouvant causer des effets indésirables ou l’échec d’un traitement. Ces variabilités peuvent être causées par une diminution de l’activité de l’enzyme responsable du métabolisme de certains médicaments, fréquemment les cytochromes P450, un système enzymatique majeur dans le métabolisme de ces derniers. Ces enzymes sont sujets à des mutations génétiques appelées polymorphismes, qui altèrent l’activité métabolique. Il est donc important d’évaluer le rôle de ces enzymes dans le métabolisme des médicaments afin d’identifier leur responsabilité dans la variabilité interindividuelle de la réponse au traitement. Parmi l’important système enzymatique que représentent les cytochromes P450, l’isoenzyme CYP2D6 est particulièrement étudiée, ses variations métaboliques revêtant une haute importance clinique. L’un des substrats du CYP2D6 est l’oxycodone, un analgésique narcotique largement prescrit en clinique. Une grande variabilité est observée dans la réponse analgésique à l’oxycodone, variabilité pouvant être causée par un polymorphisme génétique. Il est connu que des variations génétiques dans le CYP2D6 compromettent la réponse analgésique à la codéine en rendant moins importante la formation de son métabolite actif, la morphine. Par analogie, plusieurs études supportent l’hypothèse selon laquelle le métabolite oxymorphone, formée par l’isoenzyme CYP2D6, serait responsable de l’analgésie de l’oxycodone. Une déficience génétique de l’enzyme compromettrait la réponse analgésique au médicament. Les travaux effectués dans le cadre de ce mémoire ont démontré que l’inhibition du CYP2D6 chez des sujets volontaires réduit de moitié la production d’oxymorphone, confirmant l’importante implication de l’enzyme dans le métabolisme de l’oxycodone. Ces résultats démontrent une forte ressemblance avec le métabolisme de la codéine, suggérant que l’oxymorphone pourrait être responsable de l’analgésie. Cependant, les travaux effectués n’ont pu établir de relation entre la concentration plasmatique d’oxymorphone et le niveau d’analgésie ressenti par les sujets. La continuation des études sur le mécanisme d’action de l’oxycodone dans la réponse analgésique est essentielle afin d’établir la source des variabilités interindividuelles expérimentées par les patients et ainsi d’éviter des effets secondaires ou lacunes dans le traitement. / Intersubject variability in drug response is an important issue provoking side effects or treatment failure. Such variability may be caused by the decreased activity of the enzyme metabolising the drug, frequently cytochromes P450, a major enzyme system in drug metabolism. These enzymes are prone to genetic mutations called polymorphisms, which alter their metabolic activity. It is therefore important to assess the role of these enzymes to identify their responsibility in the intersubject variability of the drug. Among the important enzyme system that represents the cytochrome P450, CYP2D6 is particularly studied for its genetic polymorphisms, which are of clinical importance. One of CYP2D6 substrates is oxycodone, a narcotic analgesic widely prescribed in clinical practice. A large variability is observed in the analgesic response to oxycodone, which could be caused by genetic polymorphism. It is known that these variations affect the analgesic response to codeine, which form the active metabolite morphine by CYP2D6 to be effective. Several studies support the hypothesis that oxymorphone, a metabolite formed by CYP2D6, has the analgesia properties, in a similar mechanism to codeine. A genetic deficiency in the enzyme would compromise the analgesic response to the drug. Results obtained from our laboratory indicate that inhibition of CYP2D6 halved oxymorphone production, confirming the significant involvement of the enzyme in the metabolism of oxycodone. These results demonstrate a strong resemblance to codeine metabolism, suggesting that oxymorphone may be responsible for analgesia. We could not find a relationship between plasma concentration of oxymorphone and analgesia level experienced by subjects. Studies on oxycodone mecanism of action in the analgesic response should continue to establish the source of intersubject variability experienced by patients and thus avoid side effects or gaps in treatment.