Schwangerschaft und Stillzeit gehen mit erheblichen metabolischen Veränderungen des mütterlichen Organismus einher. Bis dato ist über die Pharmakokinetik von Psychopharmaka in dieser Zeit wenig bekannt. In unserer naturalistischen Beobachtungsstudie untersuchten wir 61 Frauen hinsichtlich der Dynamik psychotroper Medikamente innerhalb der Schwangerschaft und Stillzeit im Serum und teils in der Muttermilch. Zudem erhoben wir Eckdaten der Entwicklung der exponierten Kinder innerhalb des ersten Lebensjahres. Bis auf Citalopram stellten wir bei allen analysierten Medikamenten Spiegelabfälle in der Schwangerschaft fest: vom ersten zum zweiten Trimenon fielen die Spiegel bei Escitalopram, Sertralin, Duloxetin, Amitriptylin, Clomipramin und Quetiapin. Während wir in der Spätschwangerschaft bei Escitalopram, Venlafaxin, Clomipramin, Mirtazapin, Aripiprazol und Quetiapin eine weitere Reduktion der Serumkonzentrationen protokollierten, blieben die Spiegel von Amitriptylin stabil, die Sertralin-Spiegel erholten sich sogar partiell. Citalopram zeigte keine Änderung der Serumspiegel. Direkt postpartal kam es bei allen Medikamenten zu einem Spiegelanstieg. Im postpartalen Verlauf zeigten die einzelnen Medikamente widersprüchliche Dynamiken. Hohe Penetrationsraten in die Muttermilch wiesen Escitalopram und Venlafaxin auf; Duloxetin, Clomipramin und Quetiapin gingen kaum bzw. nicht in die Muttermilch über. Wir fanden keine signifikanten Unterschiede zwischen in utero nicht exponierten zu exponierten Kindern bezüglich Geburtsparametern wie Schwangerschaftswoche, Körpermaße oder APGAR-Wert. Während die nicht exponierten Kinder vermehrt unter leichten Auffälligkeiten direkt postpartal litten, wiesen die exponierten Neugeborenen mehr mittelschwere Auffälligkeiten auf. Hinsichtlich der Entwicklung innerhalb des ersten Lebensjahres (gemessen an groben Entwicklungsmeilensteinen) ergaben sich keine signifikanten Unterschiede. Im klinischen Alltag trägt das Therapeutische Drug Monitoring als indirekte Methode zur Kontrolle aller an der Metabolisierung beteiligten Faktoren enorm zur Steigerung der Sicherheit und Effektivität der individuellen Pharmakotherapie bei. Die pharmakokinetische Dynamik fällt bei manchen Medikamenten jedoch interindividuell sehr unterschiedlich aus (insbesondere bei Sertralin); hier stellt eine initiale Genotypisierung der Cytochrom-P450-Enzyme ein großes Potential dar, um bereits zu Beginn einer Schwangerschaft über die voraussichtliche pharmakokinetische Dynamik im Bilde zu sein und möglicher Unter- bzw. Überdosierung mit potentiell fruchtschädigender Wirkung vorbeugen zu können. / Pregnancy and lactation are accompanied by considerable metabolic changes in the maternal organism. To date, little is known about the pharmacokinetics of psychotropic drugs during this period. In our naturalistic observational study we investigated the pharmacokinetic dynamics of psychotropic drugs during pregnancy and lactation in serum and partly in breast milk by analyzing data from 61 women. In addition, we collected key data on the development (through reporting important milestones) of the exposed children within the first year of life. Except for citalopram, we found decreases in the serum concentrations of all drugs investigated during pregnancy: The levels of escitalopram, sertraline, duloxetine, amitriptyline, clomipramine, and quetiapine decreased from the first to the second trimester,. While we observed further reductions in serum concentrations in late pregnancy for escitalopram, venlafaxine, clomipramine, mirtazapine, aripiprazole and quetiapine, levels of amitriptyline remained stable, sertraline levels even recovered partially. Citalopram showed no change in serum levels. Immediately postpartum, there was an increase in the serum concentrations of all drugs. In the postpartum course, the individual drugs presented contradictory dynamics. Escitalopram and venlafaxine showed high penetration rates into breast milk, whereas duloxetine, clomipramine and quetiapine hardly passed into breast milk. We found no significant differences between prenatally unexposed to exposed infants in regard to birth parameters such as gestational week, body measurements or Apgar score. While the unexposed infants showed a higher rate of mild abnormalities immediately postpartum, the exposed neonates presented more moderate abnormalities. There were no significant differences in development during the first year of life. Since therapeutic drug monitoring is an indirect method to control all factors involved in metabolism, it contributes greatly to the safety and effectiveness of individual pharmacotherapy in today’s clinical practice. However, the pharmacokinetic dynamics of some drugs vary considerably between individuals (especially for sertraline); here, initial genotyping of the cytochrome p450 enzymes has a great potential to increase knowledge about probable pharmacokinetic dynamics already at the beginning of a pregnancy. This tool may be able to prevent possible under- or overdosing with potentially harmful effects on the fetus on a large scale.

The inhaled pharmacotherapy is fundamental in the management of obstructive lung diseases such as asthma bronchiale or chronic obstructive pulmonary disease. In this context short- and long-acting β2-agonists play a prominent role as relieve and control medication. Regarding the risk-benefit profile of an inhaled drug, the pattern of pulmonary deposition and the rate and extent of absorption into systemic circulation are essential parameters. New developments of drugs are characterized by high lung retention and improved efficacy. The aim of the present thesis was the parallel evaluation the pharmacokinetic (PK) and -dynamic (PD) properties of inhaled β2-agonists employing an isolated human lung perfusion model (IPL). The short-acting β2-agonist salbutamol and the newly developed ultra long-acting β2-agonist GW597901 were chosen for the analysis of pulmonary drug absorption and bronchodilation. In a pharmacokinetic enabling study an established human IPL setting was modified to monitor the pharmacokinetics of the β2-agonists by measuring the concentrations in perfusion fluid, lung tissue and BAL samples obtained during and after the experiments. The IPL model revealed differences in the pulmonary absorption behaviour of GW597901 and salbutamol. The lipophilic compound GW597901 was distributed to a lower extent into the perfusion fluid compared to the more hydrophilic compound salbutamol. The analyzed time profiles of nebulized salbutamol in the perfusate were consistent to with a clinical study if considering experimental conditions as the actual deposited doses and the differing volume of distribution. Thus, the suitability of the IPL model for the PK analysis of inhaled β2-agonists was confirmed. In a PK/PD study the human ex vivo model was employed for the first time for the evaluation of the clinical relevant bronchodilating effect induced by inhaled β2-agonists in addition to the analysis of their pharmacokinetics. Thereby the focus was to determine the onset and extent of bronchodilation. A new method was established to monitor changes in lung function parameters due to pharmacodynamic interventions over the duration of the experiment that allowed permanent online recording of the ventilation volume and lung mechanic parameters. Bronchial challenges with aerolised MCh were performed successfully in isolated ventilated human lung lobes, even though the responder rate was lower than expected despite high administered doses. The administration of the short acting agent salbutamol led to an immediate onset of action recognized as a sudden increase of the ventilation volumes. The bronchodilation following the application of GW597901 was observed delayed after about 6 min. Monitored lung function parameters considerably improved by both β2 - agonists in the IPL setting but not significantly different. Thus, in regard of the different applied doses GW597901 had a higher intrinsic activity and bronchodilating potency than salbutamol. The concentrations of salbutamol and GW597901 in the perfusate determined in the PK/PD study were significantly lower than those observed in the pharmacokinetic enabling study, while the tmax values and the course of the distribution profiles remained similar. Most likely, the application of nebulized MCh prior to the administration of the β2 - agonists had a substantial influence on their pharmacokinetic behaviour. It is yet not clear whether pharmacodynamic effects or molecular competition processes for the passage to the systemic circulation or both influenced the redistribution of the β2 - agonists as seen in the PK/PD study. The potential clinical relevance of this observation has to be further investigated. The development of pulmonary edema during the experiment was one limitation of the IPL model. For the determination of the onset of edema formation four potential biochemical markers, specifically surfactant-protein A (SP-A), angiotensin-converting enzyme (ACE), urea and lactate dehydrogenase, were measured in perfusion fluids. In this context, an ELISA method for the quantification of human SP-A in biological matrices was successfully established. The investigations showed that the concentrations of SP-A and ACE in the perfusate increased over time as a sign for lung tissue damage and correlated with the degree of edema formation. For the first time the IPL model was used for the evaluation of potential pulmonary edema marker and the results have shown that it is valuable tool for further investigations in this field. In conclusion, the pharmacokinetic and pharmacodynamic characterization of GW597901 and salbutamol was successfully achieved using the IPL model. This ex vivo methodology may contribute to further insights and understanding of the complex pharmacokinetic processes of inhaled β2 – agonists in the lung. / Die Inhalationstherapie stellt den grundlegenden Baustein in der Behandlung obstruktiver Lungenerkrankungen wie Asthma bronchiale oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankung dar. Eine essentielle Rolle spielen dabei kurz- und langwirksame β2 – Agonisten, die sowohl als Bedarfs- und Kontrollmedikation eingesetzt werden. Bei Betrachtung des Nutzen-Risiko-Verhältnisses eines inhalativen Arzneistoffes sind das pulmonale Depositionsmuster und die Geschwindigkeit und das Ausmaß, mit welcher der Arzneistoff in die systemische Zirkulation gelangt, von zentraler Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung pharmakokinetischer (PK) und -dynamischer (PD) Eigenschaften inhalativer β2 – Agonisten anhand des isolierten humanen Lungenperfusionsmodells (IPL). Der kurzwirksame β2 – Agonist Salbutamol und der neue langwirksame Vertreter GW597901 dienten dabei als Modellsubstanzen für die Analyse der pulmonalen Absorption und den Effekt der Bronchodilatation. In einer ersten Versuchsreihe wurde das etablierte IPL Modell derart modifiziert, um mittels gemessener Konzentrationen in der Perfusions- und Lavageflüssigkeit sowie in Lungengewebsproben die Pharmakokinetik von β2 – Agonisten zu bestimmen. Das IPL Modell zeigte Unterschiede im pulmonalen Absorptionsverhalten von GW597901 und Salbutamol. Der lipophile Vertreter GW597901 wurde in geringerem Ausmaß in die Perfusionsflüssikeit umverteilt als das hydrophile Salbutamol. Das analysierte Absorptionsprofil von Salbutamol korrelierte dabei sehr gut mit Daten einer Humanstudie, wenn man die experimentellen Bedingungen wie die tatsächlich deponierte Dosis und das abweichende Verteilungsvolumen berücksichtigte. Dadurch war die Eignung des IPL Modells zur PK Analyse inhalativer β2 – Agonisten bestätigt. Zusätzlich zur Betrachtung der PK wurde das humane IPL Modell nun zum ersten Mal zur Untersuchung des klinisch relevanten Effekts der Bronchdilatation der β2 – Agonisten herangezogen. Dabei sollten vor allem der Beginn und das Ausmaß der induzierten Bronchodilatation bestimmt werden. Es konnte erfolgreich eine neue Methode etabliert werden, die es erlaubte durch permanente online Aufzeichnung von Ventilationsparameter Änderungen in der Lungenfunktion darzustellen, die durch pharmakodynamische Interventionen ausgelöst wurden. Erstmals wurde erfolgreich eine bronchiale Provokation an einem ex vivo ventilierten humanen Lungenlappen durchgeführt. Jedoch war trotz hoher verabreichter MCh Dosen die Responderrate niedriger als erwartet. Die Applikation des kurzwirksamen Vertreters Salbutamol führte zu einem sofortigen Effekt. Der Wirkeintritt der Bronchodilatation verursacht durch GW597901 war hingegen um ungefähr 6 Minuten verzögert. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen verabreichten Dosen zeigen diese Ergebnisse eine höhere intrinsische Aktivität und atemwegserweiternde Wirksamkeit von GW597901 im Vergleich zu Salbutamol. Die analysierten Konzentrationen von GW597901 und Salbutamol im Perfusat waren in der PK/PD Studie signifikant niedriger als diejenigen, die in der vorherigen PK Versuchsreihe gemessen wurden, während die jeweiligen Tmax Werte und Umverteilungsprofile unverändert blieben. Die wahrscheinlichste Erklärung hierfür ist, dass die Applikation von MCh vor der Vernebelung der β2 – Agonisten einen erheblichen Einfluß auf deren pharmakokinetischen Verhalten hatte. Gegenwärtig kann nicht mit Sicherheit eine Aussage darüber getroffen werden, ob pharmakodynamische Effekte, Konkurrenzmechanismen um die Aufnahme in den systemischen Kreislauf auf molekularer Ebene oder beides zu einem veränderten Umverteilungsverhalten der β2 – Agonisten in der PK/PD Studie geführt haben. Die Entwicklung von Lungenödemen im Verlauf der Experimente war eine Einschränkung des IPL Modells. Um den Beginn einer Ödembildung besser bestimmen zu können, wurden vier potenzielle biochemische Marker in Perfusatproben untersucht, das Surfactant Protein-A (SP-A), das Angiotensin-konvertierende Enzym (ACE), Harnstoff und das Enzym Lactatdehydrogenase (LDH). Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Konzentrationen von SP-A und ACE im Perfusat über die Zeit als Anzeichen für eine Lungengewebsschädigung in Korrelation zum Ausmaß der Ödembildung anstiegen. Zum ersten Mal wurde das IPL Modell für die Bestimmung von biologischen Markern für pulmonale Ödementstehung herangezogen und die Ergebnisse haben gezeigt, dass dieses ex vivo Modell einen vielversprechenden Ansatz für weitere Untersuchungen in diesem Bereich bietet. Damit konnten erfolgreich Methoden entwickelt werden, um mit Hilfe des humanen IPL Modells die pharmakokinetischen und -dynamischen Eigenschaften von GW597901 und Salbutamol zu charakterisieren. Die angewandte ex vivo Methodik kann hierbei einen wertvollen Beitrag und weiterführende Erkenntnisse zum besseren Verständnis der komplexen pharmakokinetischen Vorgänge inhalativer β2 – Agonisten leisten.

Ätherische Öle bzw. Ätherisch-Öl Komponenten sind etabliert in der Therapie der chronischen und akuten Bronchitis. Eine klinische Studie, die mit Thymianextrakt durchgeführt wurde, ließ auf die klinische Wirksamkeit bei akuter Bronchitis schließen. Zahlreiche pharmakodynamische Effekte konnten in vitro für Thymianextrakt bzw. das ätherische Thymianöl gezeigt werden, jedoch wurde bis jetzt die systemische Verfügbarkeit der betreffenden Verbindungen am Zielorgan noch nicht untersucht. Diesbezügliche Untersuchungen sind notwendig, um die Verknüpfung zwischen den in vitro beobachteten Effekten und der klinischen Wirksamkeit herstellen zu können. Eine pharmakokinetische Studie wurde nach Einnahme einer Einzeldosis BronchipretTP (Filmtabletten mit 60 mg Primelwurzelextrakt und 160 mg Thymianextrakt) durchgeführt, um festzustellen, ob Thymol, das den Hauptbestandteil des ätherischen Thymianöls darstellt, zur Wirksamkeit dieser Zubereitung beitragen kann. Dazu wurde eine Extraktionsmethode für die Bestimmung von Thymol nach enzymatischer Spaltung des Phase-II-Konjugates Thymolsulfat im Plasma sowie von Thymolsulfat und Thymolglucuronid im Urin entwickelt. Es wurde eine neuartige, automatisierte headspace Festphasenmikroextraktionsmethode (HS-SPME) entwickelt, die Extraktion, Anreicherung und Probenaufgabe in einem einzigen Schritt ermöglichte. Die Quantifizierung von Thymol im unteren ng.mL-1 Bereich wurde durch die Verwendung von Gaschromatographie in Kombination mit Flammenionisationsdetektion durchgeführt. Die Automatisierung der Methode war notwendig um sie nach internationalen Richtlinien zur Validierung bioanalytischer Methoden validieren zu können. Dies ist das erste Mal, dass eine Bioverfügbarkeitsstudie bzw. eine pharmakokinetische Studie mit Hilfe der HS-SPME durchgeführt wurde. Thymol selbst war nicht systemisch verfügbar. Es war kein freies Thymol oberhalb von 1,4 ng/mL im Plasma detektierbar. Der systemisch verfügbare Phase-II-Metabolit wurde per LC-MS/MS als Thymolsulfat identifiziert. Thymolsulfat wurde nur im Plasma detektiert, wohingegen sowohl Thymolsulfat als auch Thymolglucuronid im Urin nachgewiesen wurden. Im Urin wurde kein freies Thyxmol oberhalb von 2,1 ng/mL detektiert. Da Thymol nur in Form von Thymolsulfat systemisch verfügbar war, wurde die pharmakokinetische Auswertung an Hand der sich nach enzymatischer Spaltung von Thymolsulfat ergebenden Daten vorgenommen. Die pharmakokinetische Studie wurde nach Verabreichung einer Einzeldosis BronchipretTP (1,08 mg Thymol) mit 12 Probanden durchgeführt. Die Resorption von Thymol war frühzeitig. Bereits nach 20 min konnte Thymol im hydrolisierten Plasma nachgewiesen werden. Maximale Plasmakonzentrationen (cmax) von 93,1±24,5 ng/mL (MW±SD) wurden nach 1,97±0,77 h (tmax) (MW±SD) erreicht. Die Plasmakonzentrationen zeigten einen biphasischen Verlauf und die terminale Eliminationphase setzte nach ca. 10 h ein. Die Eliminationshalbwertszeit errechnete sich zu 10,2 h. Dies betont die Wichtigkeit entsprechend langer Meßzeiträume in Verbindung mit einer hoch sensitiven Analytik, um die Elimination vollständig erfassen zu können. Bezogen auf die verabreichte Thymoldosis (1,08 mg) wurden 16,2±4,5 Prozent (MW±SD) mit unverändertem Thymolgrundgerüst renal eliminiert. Die renale Clearance von 271±156 mL/h (MW±SD) indiziert eine hohe Plasmaeiweißbindung und/oder tubuläre Reabsorption. Die Daten deuten darauf hin, dass die klinische Wirksamkeit nach Applikation einer thymianextrakthaltigen Zubereitung auf Thymolsulfat oder mögliche Phase-I-Metabolite zurückzuführen sein könnte. Die pharmakodynamischen Effekte dieser Verbindungen wurden bislang noch nicht untersucht. Andererseits könnte die Aktivität von Sulfatasen im Lungengewebe die pulmonale Elimination von Thymol erklären. Freies Thymol könnte somit am Respirationstrakt wirksam sein, obwohl es im Plasma nicht detektiert wurde. / Essential oil compounds are established for the therapy of chronic and acute bronchitis. A clinical trial with a preparation containing thyme extract has suggested clinical efficacy for acute bronchitis. Various pharmacodynamic effects have been demonstrated in vitro for thyme extract and the essential thyme oil, respectively, but systemic availability of these compounds in the respective target organs has not been proven yet. Such investigations are necessary to provide the link between in vitro effects and in vivo studies. A pharmacokinetic study following a single dose of BronchipretTP tablets (60 mg primrose extract and 160 mg thyme extract) was performed to determine whether thymol, which is the main compound in the essential oil of thyme, might contribute to the efficacy of this formulation containing thyme extract. Therefore an extraction method for the analysis of thymol after enzymatic cleavage of the phase II conjugates thymol sulfate in plasma as well as thymol sulfate and thymol glucuronide in urine was developed. A novel automated headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) method was developed, which provided extraction, concentration and sampling in a single step. Quantification of thymol was consequently achieved at the lower ng×mL-1 level using gas chromatography combined with flame ionization detection. Automation of the method was necessary to test the method according to international guidelines for validation of bioanalytical procedures. This is the first time that HS-SPME has been used for a bioavailability or pharmacokinetic study. Thymol itself was not systemically available because no free thymol could be detected in plasma above 1.4 ng/mL. The systemically available phase II metabolite was identified as thymol sulfate by HPLC-MS/MS. Thymol sulfate was identified in plasma whereas both thymol sulfate and thymol glucuronide were detected in urine. No free thymol was detected in urine above a limit of quantification of 2.1 ng/mL. As thymol was systemically available only in the form of thymol sulfate, pharmacokinetic analysis of the data was carried out based on the data obtained after enzymatic cleavage of thymol sulfate. The pharmacokinetic study comprised a single-dose study with 12 healthy volunteers (1 tablet BronchipretTP equivalent to 1.08 mg thymol). Absorption of thymol was rapid after administration of a single dose of BronchipretTP tablets. Thymol could be detected in hydrolyzed plasma 20 min after application. Maximum plasma levels (cmax) of 93.1±24.5 ng/mL(mean±SD) were reached after 1.97±0.77 h (tmax) (mean±SD). Plasma concentrations showed a biphasic profile and the terminal elimination phase set in after about 10 h and continued up to 38 h. The terminal elimination half life was calculated to be 10.2 h. This stresses the importance of long sampling periods in combination with highly sensitive analytical tools to adequately follow the elimination profile. With regard to the applied thymol dose (1.08 mg) the renally eliminated amount of thymol with unchanged thymol base structure was 16.2±4.5 per cent (mean±SD). The renal clearance of 271±156 mL/h (mean±SD) indicates high protein binding and/or tubular reabsorption. The data indicate that the pharmacological effect observed in vivo after application of preparations containing thyme extract could be due to thymol sulfate or putative phase I metabolites. However, the pharmacodynamic effects of these compounds have not been investigated yet. Also the activities of sulfatases in lung tissue could explain the observed pulmonary elimination of thymol. Free thymol could therefore be effective at the respiratory system, although it was not detected in plasma.

In der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig die Hemmung des induzierten Abbaus von Matrixproteinen sowie von Gelatine durch Matrixmetalloproteinasen mithilfe des Kiefernrindenextraktes Pycnogenol, einer Auswahl seiner Inhaltsstoffe und seiner Metabolite d-(3,4-Dihydroxyphenyl)-g-valerolacton (M1) und d-(3-Methoxy-4-hydroxyphenyl)-g-valerolacton (M2) untersucht. Beide Metabolite zeigten eine signifikante Hemmwirkung und lagen in der Effektivität ihrer Hemmung auf einer µg/ml-Basis immer leicht über der des Gesamtextraktes. Um die in Frage kommenden Mechanismen der Hemmwirkung gegenüber Matrixmetalloproteinasen aufzuklären, wurde die Bindung des Gesamtextraktes an Hautpulver, sowie an die Matrixproteine Collagen und Elastin untersucht. Es wurde ein Schutz der Substrate vor enzymatischer Degradierung durch MMPs infolge einer Adsorption der Procyanidine abgeleitet. Die Metabolite M1 und M2 schienen auf Grund eines anderen Mechanismus die Aktivität der MMPs zu hemmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Hemmwirkung der untersuchten Inhibitoren auf MMP-9 nach Zinkzusatz vollständig aufgehoben wurde. Daher konnte eine direkte Interaktion von beiden Metaboliten auf das Zinkatom des aktiven Zentrums angenommen werden. Die Wirkungen der Metabolite M1 und M2 wurden anschließend auf zellulärer Ebene untersucht. Es wurde getestet, ob sie einen Einfluss auf die Sekretion von MMP-9 aus bakteriellen Lipopolysaccharid (LPS)-stimulierten Monocyten hatten. Als Positivkontrolle wurden antiinflammatorisch wirkenden PPAR-Agonisten, sowie das endogene Glucocorticoid Hydrocortison eingesetzt, deren Hemmwirkung auf die MMP-9-Freisetzung gut belegt war. Die PPAR-Agonisten waren in Bezug auf die MMP-9-Sekretion die wirksamsten Inhibitoren. Mit einer bemerkenswert niedrigen IC50 waren die beiden Metabolite M1 und M2 in ihrer Wirkung equipotent. Im Vergleich zu Hydrocortison konnte sogar gezeigt werden, dass beide Metabolite potentere Inhibitoren darstellten als das körpereigene antiinflammatorisch wirksame Glucocorticoid. In pharmakokinetischen Untersuchungen wurden Plasmaproben von Probanden nach Einmal- (n = 11) und Mehrfach- (n = 5) Einnahme von 300 bzw. 200 mg Pycnogenol mithilfe der HPLC vermessen. Durch diese Untersuchungen sollte festgestellt werden, ob eine Absorption von Extraktbestandteilen, sowie Metabolisierungsreaktionen im Körper stattfinden. Es konnten in den Proben der meisten Probanden erstmalig im Plasma sowohl Extraktbestandteile als auch der Metabolit M1 nachgewiesen werden. Daneben konnten zehn bislang unbekannte Substanzen detektiert werden, die in weiterführenden Arbeiten noch identifiziert werden müssen. Es wurde eine große interindividuelle Variabilität sowohl im Grad der Konjugation als auch bei den im Plasma vorliegenden Konzentrationen der einzelnen Substanzen festgestellt. Nach Einmalgabe des Extraktes wurden verschiedene Gruppen von Substanzen mit frühen, mittleren, späten und interindividuell sehr variablen Plasmaspiegelmaxima nachgewiesen. Es konnten erstmalig nach Pycnogenol-Einnahme pharmakokinetische Parameter der bekannten und im Gesamtextrakt quantifizierbaren Verbindungen errechnet werden. Nachfolgend wurde in den Plasmaproben der Probanden nach Pycnogenol-Einnahme nachgewiesen, dass Wirksubstanzen in Konzentrationen vorhanden waren, die tatsächlich pharmakodynamische Effekte erzielen konnten. Dazu wurde ein neues Versuchskonzept erstellt, bei dem die Hemmung der MMP-9-Sekretion auf zellulärer Ebene mit den Plasmaproben der Studienteilnehmer vor und nach Pycnogenol-Einnahme ex vivo untersucht wurde. Nach Mehrfachgabe bewirkten die verdünnten Plasmaproben der Probanden eine signifikant verminderte MMP-9-Sekretion um im Mittel 25 %. Plasmaproben nach einmaliger Einnahme von 300 mg Pycnogenol riefen schon 30 Minuten nach Extrakt-Einnahme eine Hemmung der MMP-9-Sekretion hervor. Diese Hemmung war bis 14 Stunden nach der Einnahme nachzuweisen. Einen wichtigen Transkriptionsfaktor im Entzündungsgeschehen stellt NF-kB dar. Stimuliert durch verschiedene Agenzien führt NF-kB u.a. zur Induktion von MMP-9. Nach Mehrfachgabe konnte in ex vivo Versuchen mit den Plasmaproben der Studienteilnehmer nach Inkubation mit stimulierten Monocyten eine etwa 15 %ige Hemmung der NF-kB-Aktivierung gezeigt werden. Es konnte am Beispiel von MMP-9 und NF-kB erstmalig gezeigt werden, dass nach Einnahme von Pycnogenol auch in vivo Konzentrationen an Metaboliten bzw. Bestandteilen erreicht werden, die ex vivo in der Lage waren, pharmakodynamische Effekte zu erzielen. Bislang konnte jedoch keine Zuordnung der pharmakokinetisch identifizierten Verbindungen zu den pharmakodynamischen Effekten erfolgen. Die umfassenden in vitro, ex vivo und in vivo Untersuchungen von Bestandteilen und/oder Metaboliten des Pycnogenol-Extraktes in der vorliegenden Arbeit leisten auf molekularer und auf zellulärer Ebene einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der klinischen antiinflammatorischen Effekte des Kiefernrindenextraktes. / In the present thesis, the inhibition of matrixmetalloproteinase (MMP)-induced degradation of matrix proteins and of gelatin was investigated. For the first time, a standardized extract of French maritime pine bark, a selection of its components and two metabolites d-(3,4-dihydroxyphenyl)-g-valerolacton (M1) and d-(3-methoxy-4-hydroxyphenyl)-g-valerolacton (M2) were tested as inhibitors for MMP-1, MMP-2 and MMP-9. Both metabolites displayed a significant inhibition of all MMPs and were more potent on a µg/ml basis compared to the extract. In order to elucidate the mechanism of inhibition, the binding of the extract to skin powder as well as to the matrix proteins collagen and elastin was investigated. A protection of the substrates from MMP-induced degradation via an adsorption of procyanidins was assumed. The metabolites M1 and M2 obviously inhibited the activity of MMPs by a different mechanism. It was shown that the inhibition caused by the investigated compounds was completely abrogated after addition of zinc. Therefore, a direct interaction of both metabolites with the catalytic zinc atom was deduced. The effects of M1 and M2 were subsequently investigated on a cellular level. It was analyzed whether the metabolites influenced the secretion of MMP-9 from bacterial lipopolysaccarid (LPS)-stimulated monocytes. As positive controls antiinflammtory PPAR agonists, as well as the endogenous glucocorticoid hydrocortisone were utilized as their inhibition of the MMP-9-secretion was well documented. With respect to the MMP-9 secretion, the PPAR agonists were the most effective inhibitors. Both metabolites were equipotent in their effects, with a remarkably low IC50. In comparison to hydrocortisone, both metabolites were even more potent than the endogenous glucocorticoid with its antiinflammatory properties. In pharmacokinetic investigations plasma samples from volunteers after a single (n = 11) and repeated (n = 5) intake of 300 mg, respectively 200 mg Pycnogenol were analyzed by HPLC. The aim of these measurements was to find out whether absorption of ingredients and metabolism take place in the human body. For the first time, ingredients of the extract, as well as the metabolite M1 were determined in plasma samples of most of the volunteers after singular or repeated Pycnogenol intake. Furthermore, ten so far unidentified compounds were detected. A large interindividual variability in the concentrations detected as well as in the degree of conjugation with glucuronic acid and sulphate of all substances was observed. After a single intake of the extract, compounds with early, intermediate and late maximum plasma levels and substances which showed highly interindividually variable plasma levels were classified. For the first time pharmacokinetic parameters of the known extract components were calculated. Subsequently it was demonstrated that the concentration of effective compounds in plasma samples of volunteers after Pycnogenol intake was sufficiently high to evoke pharmacological effects. A new concept was developed for this investigation. Inhibition of the secretion of MMP-9 on a cellular level was performed ex vivo with plasma samples before and after Pycnogenol intake. After repeated intake, diluted plasma samples of the volunteers evoked a significant decrease in MMP-9 secretion of about 25 %. Plasma samples after a single intake of 300 mg Pycnogenol caused an inhibition of the MMP-9 secretion already after 30 minutes. The inhibition persisted up to 14 hours. An important transcription factor in inflammatory processes is NF-kB. Activated by various stimuli, NF-kB mediates the induction of MMP-9. In ex vivo experiments, plasma samples of volunteers after repeated Pycnogenol intake were incubated with stimulated monocytes. An inhibition of the NF-kB activation of 15 % was observed. The percentage of inhibition of NF-kB activation correlated with inhibition of MMP-9 secretion for matched plasma samples. These results suggested that inhibition of MMP-9 secretion by Pycnogenol ex vivo was mediated via NF-kB pathway. The examples of MMP-9 and NF-kB inhibition showed for the first time that sufficiently high concentrations of ingredients and/or metabolites of Pycnogenol were reached in vivo that exhibited pharmacodynamically relevant effects ex vivo. So far, no correlation was found between the pharmacokinetically identified substances and the pharmacodynamic effects. The comprehensive in vitro, ex vivo and in vivo investigations of ingredients and/or metabolites of Pycnogenol, on a molecular as well as on a cellular level, contribute substantially to the understanding of the clinical antiinflammatory effects of pine bark extract.

Patienten mit chronischer Nebenniereninsuffizienz (NNI) haben ein hohes Risiko, eine lebensbedrohliche Nebennierenkrise (NNK) zu erleiden. Hauptauslöser sind insbesondere gastrointestinale und fieberhafte Infekte, sowie Unfälle, Operationen, psychische und physische Belastungssituationen. Häufig entwickeln sich dabei NNK innerhalb weniger Stunden und können rasch zu einem letalen Verlauf führen, bevor den betroffenen Patienten suffiziente ärztliche Hilfe gewährleistet werden kann.Zur Prävention solcher NNK, werden nebenniereninsuffiziente Patienten wiederholt in der Eigenanpassung ihrer Glucocorticoiddosis in Belastungssituationen geschult. Sie erhalten einen Notfallausweis und werden zusätzlich mit einem Notfallkit, bestehend aus einer Ampulle Hydrocortison für Injektionszwecke, ausgestattet. Da Patienten jedoch nach wie vor (zum Beispiel im Rahmen von Gastroenteritiden durch ungenügende enterale Resorption des Hydrocortisons) an NNK versterben, sind eine Verbesserung der Krisenprävention und des Notfallmanagements dringend anzustreben.Um den Patienten in Krisensituationen ein höheres Maß an Unabhängigkeit zu ermöglichen, erfolgen daher mittlerweile Schulungen in der Eigeninjektion von Hydrocortison. Aktuell besteht hier eine Zulassung für die intramuskuläre (i.m.) Verabreichung. Es ist jedoch anzunehmen, dass die i.m. Eigeninjektion für viele Patienten eine große Hemmschwelle darstellt und daher in Krisensituationen nicht konsequent genug angewandt wird. Die subkutane (s.c.) Verabreichung von Hydrocortison wäre eine für die Patienten leicht durchzuführende und äquivalente Alternative. Erfahrungsgemäß besteht bezüglich einer s.c. Applikation von Medikamenten eine höhere Akzeptanz , da diese in vielen anderen Bereichen, wie z. B. der s.c. Selbstinjektion von Insulin bei Diabetikern oder der Injektion von Heparin in der postoperativen Phase oder bei der Injektion von Hormonpräparaten im Rahmen einer Hypophyseninsuffizienz, bereits regelmäßig Anwendung findet und bei vielen Patienten bekannt ist. Ziel der Studie war es daher, die Pharmakokinetik und die Sicherheit der s.c. Hydrocortisonapplikation für einen routinemäßigen Einsatz in Krisensituationen im Vergleich zur i.m. Gabe zu evaluieren. Für die Studie wurden zwölf Patienten mit einer chronischen NNI eingeschlossen. Ihnen wurde an drei verschiedenen Untersuchungstagen s.c. Kochsalzlösung (Kontrollintervention), sowie s.c. und i.m. 100 mg Hydrocortison injiziert. An jedem Untersuchungstag, wurden Speichelproben sowie über eine venöse Verweilkanüle Blutproben zu 15 Zeitpunkten (0 bis 240 min nach Injektion) entnommen und asserviert. Anhand der pharmakokinetischen Profile zeigte sich, dass sowohl die i.m. als auch die s.c. Applikation von Hydrocortison zu suffizienten Wirkspiegeln (> 36 µg/dl) von Cortisol im Serum führt. Wie erwartet zeigte sich bei der i.m. Injektion von Hydrocortison ein etwas schnellerer Anstieg der Cortisolkonzentration. Andererseits ergab sich nach der s.c. Injektion von Hydrocortison eine längere mittlere Verweildauer im Blut. Des Weiteren wurde nach s.c. Applikation eine stärkere Abhängigkeit der Serumcortisolprofile vom BMI der Patienten beobachtet. Schwerwiegende unerwünschte Ereignisse traten nicht auf. Leichte unerwünschte Ereignisse, ließen sich vielmehr auf die Injektion an sich, als auf die applizierte Substanz Hydrocortison zurückführen und waren überwiegend bei der i.m. Applikation zu beobachten. Die Beurteilung der Patientenzufriedenheit anhand eines Fragebogens zeigte deutlich, dass die Patienten die s.c. gegenüber der i.m. Eigeninjektion bevorzugen würden. Weiterhin wurde deutlich, dass die Bedrohung durch NNK, für einige Patienten auch eine Einschränkung der Lebensqualität bedeutet und dass sie sich durch die Möglichkeit der Eigeninjektion sicherer fühlen würden. Alle Patienten würden sich nach Studienteilnahme eine Eigeninjektion von Hydrocortison zutrauen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die s.c. Applikation von Hydrocortison eine geeignete Alternative zur i.m. Injektion darstellt; besonders für Patienten mit einem normwertigen BMI und im Falle von beginnenden NNK, bevor es evtl. zur Beeinträchtigung der Zirkulation im Schock und einer möglicherweise unzureichenden Resorption bei einer Minderdurchblutung des Fettgewebes kommt. Da die Patienten die s.c. der i.m. Applikation deutlich vorziehen würden, kann davon ausgegangen werden, dass nebenniereninsuffiziente Patienten die s.c. Eigeninjektion konsequenter einsetzten würden. Durch eine geringere Hemmschwelle gegenüber der s.c. Gabe und einem folglich vermehrten Einsatz der Eigeninjektion bei beginnenden Krisen, könnte die Zahl der NNK und deren Mortalität gesenkt werden. Allerdings ist die i.m. Verabreichung von Hydrocortison auch weiterhin als eine sehr gute und schneller wirksamere Art der Eigeninjektion zu betrachten, die den Patienten in erster Linie empfohlen werden kann. Zur Krisenprävention sollte zukünftig, zusätzlich zum Notfallausweis und der generellen Aufklärung, der Schwerpunkt auch auf eine individuelle Schulung im richtigen Umgang mit der Eigeninjektion von Hydrocortison in Notfallsituationen gelegt werden. Des Weiteren sollte generell neben der Optimierung der Substitutionstherapie auch die Verbesserung des Krisenmanagements mit im Fokus der NNI-Forschung stehen. / Objective: Evaluation of the pharmacokinetics and safety of subcutaneous hydrocortisone injection for use in adrenal emergency. Design: Single center open label, sequence randomized, cross over study in a tertiary care center. Patients and Methods: Twelve Patients with chronic Addison’s disease. Comparison of hydrocortisone pharmacokinetics after subcutaneous (sc) and intramuscular (im) injection (100 mg), and after administration of sodium chloride (0.9%) subcutaneously, respectively, at three different visits. Main Outcome Measure: Maximum serum cortisol (Cmax), time to Cmax (tmax), and time to serum cortisol >36 µg/dl (tSerum-Cortisol >36 µg/dl) after subcutaneous administration compared to intramuscular administration, safety and patient preference. Results: Serum cortisol increased rapidly and substantially after both im and sc injection (Cmax: 110±29 vs 97±28 µg/dl, p=0.27); tmax 66±51 vs 91±34 min, p=0.17, and tSerum-Cortisol > 36 µg/dl 11±5 vs 22±11min, p=0.004, respectively). Both, im and sc injections were well tolerated. Eleven patients (91.7%) preferred sc injection, whereas one patient did not have any preference. Conclusions: Subcutaneous administration of 100 mg hydrocortisone shows excellent pharmacokinetics for emergency use with only a short delay in cortisol increase compared to intramuscular injection. It has a good safety profile and is preferred by patients over intramuscular injection.

Für inhalativ applizierte Arzneimittel spielt das Ausmaß der pulmonalen Absorption eine entscheidende Rolle. Für Substanzen, die lokal in der Lunge wirken sollen, sind für eine gute Wirksamkeit hohe lokale Wirkstoffkonzentrationen, und für eine geringe Nebenwirkungsrate niedrige systemische Plasmaspiegel wichtig. Sollen allerdings Substanzen das Lungenepithel überwinden und im systemischen Kreislauf wirken, ist eine hohe systemische Verfügbarkeit für eine gute Wirkung gewünscht. Das Ziel dieser Studie war es mit in vitro und ex vivo Methoden das Absorptions- und Permeationsverhalten von pulmonal applizierten Substanzen zu studieren. Der Transportmechanismus über das Lungenepithel des langwirksamen ß2-Agonisten Salmeterol wurde mithilfe des humanen ex vivo Lungenperfusionsmodells untersucht. Die Anwendung von L-Carnitin als Hemmstoff von organischen Kationen/Carnitin Transportern (OCT/N) bewirkte eine Verringerung der pulmonalen Absorption von Salmeterol von ca. 90 %, was auf eine Beteiligung von Transportern, möglicherweise des OCTN2 oder OTCN1, für den Transport von Salmeterol über das Lungenepithel hindeutete. Es wurde somit zum ersten Mal erfolgreich gezeigt, dass Salmeterol wahrscheinlich als Substrat der Transportproteine fungiert und der Übertritt über das Lungenepithel von organischen Kationen/Carnitin Transportern abhängig ist. Bisher wurde eine Interaktion von Salmeterol mit den OCT/N nur in in vitro Versuchen studiert und Salmeterol wurde nur als Hemmstoff und nicht als Substrat untersucht. Die Beteiligung eines Transporters für die pulmonale Absorption von Salmeterol steht außerdem im Einklang mit Untersuchungen über weitere ß2-Agonisten wie das kurzwirksame Salbutamol und das langwirksame GW597901. Somit scheinen sowohl lipophile als auch hydrophile ß2-Agonisten Substrate für die OCT/N zu sein. Die Fähigkeit von IGF-1, nach pulmonaler Applikation in den systemischen Kreislauf zu gelangen, wurde in der vorliegenden Studie mit Hilfe des Lungenperfusionsmodells untersucht. Das IGF-1 wurde gebunden an Trehalose oder an Fibroin als Pulver verabreicht. Die Trehalose sollte eine schnelle Abgabe des IGF 1 bewirken, und das Fibroin sollte zum einen ein Trägermaterial mit schützenden Eigenschaften für das IGF 1 darstellen, und zum anderen sollte eine mögliche verzögerte Freisetzung von IGF-1 aus Fibroin in einem ex vivo Modell untersucht werden, die in vorausgegangenen in vitro Versuchen über 3 h lang vorhanden war. Das Peptid wurde nach der Applikation sowohl der Trehalosepartikel als auch der Fibroinpartikel pulmonal absorbiert und folgte einer linearen Verteilungskinetik. Dieses lineare Absorptionsverhalten des IGF-1 war vergleichbar mit der Kinetik von inhalativem Insulin, die in in vivo Studien beobachtet wurde. Somit konnte gezeigt werden, dass das IGF-1 nach pulmonaler Applikation systemisch verfügbar sein könnte und eine vergleichbare pulmonale Pharmakokinetik wie das strukturell ähnliche Insulin besitzt. Außerdem unterschied sich das Absorptionsverhalten von IGF-1, gebunden an Trehalose, nicht signifikant von dem von IGF-1/Fibroin, was im Gegensatz zu in vitro Untersuchungen stand, in denen das IGF-1 verzögert aus Fibroin freigesetzt wurde. Somit wirkte sich die kontrollierte Abgabe in vitro nicht auf die Verteilungskinetik ex vivo aus. Daraus ergibt sich, dass sowohl Trehalose als auch Fibroin als Trägermaterial für IGF-1 zur pulmonalen Applikation geeignet wären, und dass IGF-1, gebunden an Fibroin eine Formulierung wäre, die zum einen das IGF 1 schützen kann und die zum anderen eine gleiche pulmonale Kinetik wie IGF 1, gebunden an schnell auflösende Trägersubstanzen, besitzt. Außerdem wurde dadurch die Wichtigkeit betont, die Pharmakokinetik von pulmonal verabreichten Substanzen am intakten Organ mit erhaltener Komplexität und Funktionalität zu untersuchen, und dass das Lungenperfusionsmodell hierfür eine geeignete Methode darstellt. Darüber hinaus wurde belegt, dass mithilfe des Lungenperfusionsmodells erfolgreich pharmakokinetische Daten für nieder- und höhermolekulare Substanzen gesammelt werden können, die als Aerosol oder als Pulver appliziert werden. Auch in den in der vorliegenden Arbeit durchgeführten in vitro Permeationsversuchen, die mit der Bronchialepithelzelllinie Calu-3 durchgeführt wurden, zeigte IGF-1 vergleichbare lineare Permeationseigenschaften wie das Insulin, mit einem apparenten Permeationskoeffizienten von 1,49 * 10-8 cm/sec für IGF-1 und 2,11 * 10-8 cm/sec für Insulin. Das IGF 1 schien durch die Calu-3 Zellen sowohl parazellulär als auch transzytotisch zu permeieren, wie es für Makromoleküle generell vermutet wird. Durch die Verwendung von Hemmstoffen der Transzytose bzw. bestimmter endozytotischer Mechanismen in den Permeationsstudien konnte gezeigt werden, dass, wie bereits genannt, der Transport durch die Zellen eine wichtige Rolle für den Übertritt von IGF-1 über Calu-3 Zellmonolayer spielte. Die Studien ergaben außerdem, dass die zelluläre Aufnahme des IGF-1 unabhängig von Clathrin und abhängig von Dynamin war. Der Einsatz einer humanen bronchioalveolären Lavage in den Permeationsversuchen bewirkte zum einen eine Erhöhung des Transportes von IGF 1 durch die Calu-3 Zellen, und zum anderen war die zelluläre Aufnahme in diesem Fall unabhängig von Dynamin und unterschied sich somit von den vorherigen Untersuchungen, in denen keine Lavage eingesetzt wurde. Das bedeutet, dass Faktoren in einer bronchioalveolaren Lavage enthalten waren, die sowohl das Ausmaß der Permeation als auch den Mechanismus der zellulären Aufnahme von IGF-1 in Calu-3 Zellen beeinflussten. Zusammenfassend konnten in der vorliegenden Arbeit erfolgreich weitere Hinweise für die Beteiligung von Transportern an der pulmonalen Absorption von ß2-Agonisten mithilfe des ex vivo Lungenperfusionsmodells gefunden werden, was somit eine wertvolle Ergänzung zu bisher vorhanden in vitro Studien darstellt. Daneben wurde zum ersten Mal gezeigt, dass das IGF-1 nach Applikation in die Lunge pulmonal absorbiert werden könnte. Das belegt den Nutzen der Lunge als Eintrittsort in den systemischen Kreislauf, was vor allem für peptidische Arzneistoffe von Bedeutung ist. / The extent of the pulmonary absorption plays an important role for drugs applied via inhalation. For substances meant to exhibit local effects within the lung, high local concentrations are crucial for maximum efficacy, and for a low rate of systemic adverse effects low plasma levels are advantageous. But if substances are meant to pass the lung epithelia and act in the systemic circulation a high systemic availability is requested for good efficacy. The aim of this study was to investigate the absorption and permeation behavior of pulmonarily applied substances using in vitro and ex vivo methods. The transport mechanism of the long acting ß2-agonist salmeterol through lung epithelia was studied with the help of an ex vivo lung perfusion model. The organic cation/carnitine transporter inhibitor l-carnitine caused a decrease of the pulmonary absorption of salmeterol of about 90 %, indicating an involvement of transporters, possibly OCTN2 or OCTN1, for the uptake of salmeterol through the lung epithelia. For the first time it was successfully shown that salmeterol acts as a substrate for transport proteins and that its transport through the lung epithelia is dependent on the organic cation/carnitine transporters (OCT/N). So far the interaction of salmeterol with the OCT/N had been studied only in vitro and salmeterol had been solely described as an inhibitor and not as a substrate. Furthermore the results on the pulmonary absorption of salmeterol are in accordance with studies about other ß2-agonists like the short acting salbutamol and the long acting GW597901. Apparently, lipophilic and hydrophilic ß2-agonists are substrates for the OCT/N. The pulmonary absorption of IGF-1 was investigated in this study using the lung perfusion model. IGF-1 was applied bound to trehalose or fibroin. The trehalose was used for a fast release of IGF-1. The fibroin as a carrier was meant to provide a protection of IGF-1, and a possible sustained release that was shown in previous in vitro assays over about 3 h, was to be studied in an ex vivo model. The peptide was absorbed pulmonarily after application of the treahlose and fibroin microparticles and exhibited linear distribution kinetics. This linear absorption behavior of IGF-1 was comparable to the kinetics of inhaled insulin observed in in vivo studies. Therefore it was shown that IGF-1 might be systemically available after pulmonary application and that IGF 1 displays comparable pulmonary pharmacokinetics to the structurally similar insulin. Additionally, the absorption behavoir of IGF-1 bound to trehalose was not significantly different from IGF 1/fibroin, which was in contrast to in vitro studies showing a sustained release of IGF-1 bound to fibroin. Thus, the in vitro controlled release was not mirrored in the distribution kinetics ex vivo. This suggests that both trehalose and fibroin are suitable carriers for pulmonary application of IGF-1 and that IGF-1 bound to fibroin provides a formulation that is able to protect IGF-1 and possesses comparable pulmonary kinetics to IGF-1 bound to fast dissolving carriers. Additionally these data demonstrated the importance to study the pharmacokinetics of pulmonarily applied substances by using the intact organ with conserved complexity and functionality, and that the human isolated perfused lung is a suitable model. Furthermore it was proven, that pharmakokinetic data of low and high molecular compounds applied as aerosol or powder, can be successfully obtained using the lung perfusion model. The in vitro permeation experiments of the present study employing Calu-3 bronchial epithelial cells also showed a linear absorption behavior of IGF-1 comparable to that of insulin, with an apparent permeability coefficient of 1,49 * 10-8 cm/sec for IGF-1 and 2,11 * 10-8 cm/sec for insulin. IGF-1 apparently passed the Calu-3 cells via a paracellular and transcytotical mechanisms, which are thought to be the major routes of macromolecules. The use of inhibitors of transcytosis and certain endocytotic pathways showed that the transport through the cells was important for the passage of IGF-1 through Calu-3 cell monolayers, as mentioned before. Furthermore the studies revealed that the cellular uptake of IGF-1 was independent of clathrin and dependent on dynamin. Human broncheoalveolar lavage caused an increase of the IGF-1 transport through the Calu-3 cells and in contrast to former investigations without a lavage the cellular uptake was independent of dynamin in this case. That implies that the broncheoalveolar lavage contained factors influencing both the extent and the mechanism of the cellular IGF-1 uptake into Calu-3 cells. In conclusion, this work employing an ex vivo lung perfusion model provides additional evidence for the involvement of transporters in the pulmonary absorption of ß2-agonists. These data demonstrate a valuable extension of knowledge compared to previous in vitro studies. Furthermore, for the first time it has been shown that IGF 1 might be pulmonarily absorbed after application to the lung. This shows the suitability of the lung as point of entrance into the systemic circulation, which is especially interesting for peptide drugs.

Arzneistofftransporter ermöglichen endogenen und exogenen Molekülen die Überwindung von Zellmembranen und tragen dadurch zur Aufnahme, Verteilung und Elimination von Arzneistoffen bei. Inhalativ applizierte Wirkstoffe, wie Vertreter aus der Gruppe der Beta-2-Sympathomimetika oder Anticholinergika, zählen zu den Substraten wichtiger, pulmonal exprimierter Arzneistofftransporter. Trotz intensivierter Forschung auf dem Gebiet der Transporter-Expression ist diese im humanen Lungengewebe bisher wenig untersucht und deren pharmakokinetische Auswirkungen auf pulmonal verabreichte Arzneistoffe sind kaum bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte der Einfluss von Arzneistofftransportern auf die pulmonale Absorption inhalierter Arzneistoffe untersucht und Erkenntnisse über deren Expressions-Profil im humanen Lungengewebe gewonnen werden. Pharmakokinetische Parameter des inhalativen Anticholinergikums Ipratropiumbromid wurden an einem ex vivo Modell der humanen Lunge untersucht. Nach vorheriger Applikation des kompetitiven OCTN1/2-Inhibitors L-Carnitin wurde keine signifikante Reduktion der absorbierten Wirkstoffmenge detektiert. Damit zeigten sich die beiden organischen Kationen/Carnitin-Transporter OCTN1 und OCTN2, anders als bisher vermutet, nicht als primär an der Absorption von Ipratropiumbromid beteiligte Transporter. Infolgedessen wurde die Beteiligung weiterer Transporter hypothetisiert. Erstmals wurden die am humanen Lungen-Perfusions-Modell gewonnenen pharmakokinetischen Daten zur pulmonalen Absorption in direkter Beziehung zur mRNA- und Protein-Expression von Arzneistofftransportern in den jeweiligen individuellen Gewebeproben betrachtet. Die pulmonale Genexpression des Multidrug Resistance-Related Protein MRP5 wies eine signifikante negative Korrelation mit der Area under the curve (AUC0 – 60 min) von Ipratropiumbromid auf (r = -0,699; p < 0,05), was die Beteiligung von MRP5 an den Umverteilungsprozessen von Ipratropiumbromid in der humanen Lunge nahelegte. Auf Protein-Ebene wurde eine positive Korrelation zwischen der Expression des organischen Kationentransporters OCT3 und der AUC0 – 60 min von Ipratropiumbromid ermittelt (r = 0,7499,p < 0,05), woraus sich eine potentielle Beteiligung von OCT3 an der Aufnahme von Ipratropiumbromid aus dem luminalen Lungenbereich ableiten ließ. Zur Untermauerung dieser Hypothese wurden Untersuchungen mit stabil transfizierten HEK293-Zellen durchgeführt. Sowohl der organische Kationentransporter OCT1 als auch OCT3 trugen dabei signifikant zu einer erhöhten zellulären Aufnahme der beiden Tritium-markierten Bronchodilatatoren Ipratropiumbromid und Salbutamol bei. Damit wurde für OCT3 zum ersten Mal eine Beteiligung an der zellulären Aufnahme dieser beiden Arzneistoffe nachgewiesen. Im Kontext der Gendermedizin sind geschlechtsspezifische Unterschiede in der Transporter-Expression von großem Interesse. Inwiefern die drei Sexualsteroidhormone Estradiol, Progesteron und Testosteron einen regulatorischen Effekt auf die mRNA-Expression von Membrantransportern haben, wurde erstmals durch in vitro Inkubationsversuche in physiologischen Hormonkonzentrationen mit der humanen Bronchialepithelzelllinie Calu-3 geprüft. Mittels intensiv optimierter und sorgfältig validierter RT-qPCR-Analytik konnten vor allem nach Inkubation mit weiblichen Sexualhormonen verglichen zu keiner Hormon-Zugabe statistisch signifikante Expressions-Unterschiede detektiert werden: Nach Behandlung mit Estradiol zeigten der Oligopeptid-Transporter PEPT2 (80,8 ± 15,6 %) und OCTN2 (82,8 ± 4,2 %) eine geringere Genexpression, das Multidrug Resistance-Related Protein MRP1 (111,6 ± 9,1 %) sowie OCTN1 (112,9 ± 10,1 %) waren nach Zugabe von Estradiol kombiniert mit Progesteron höher exprimiert als ohne Hormon-Zusatz. Da Estradiol überdies als Inhibitor des OCT1- und OCT3-vermittelten Transports gilt, wurde die Auswirkung des Hormons, unter anderem in physiologischer Konzentration, auf die Aufnahme von Tritium-markierten Ipratropiumbromid in stabil transfizierte HEK293-Zellen untersucht, wobei tatsächlich eine reduzierte zelluläre Ipratropiumbromid-Aufnahme beobachtet wurde. Somit könnte auch in vivo eine geschlechtsspezifische Inhibition der beiden Transporter stattfinden, wodurch deren Substrate einer geschlechtsspezifisch variierenden Pharmakokinetik unterliegen könnten. Darüber hinaus wurde in rund 80 humanen Lungengewebsproben die Genexpression von Arzneistofftransportern hinsichtlich geschlechts- und altersspezifischer Unterschiede überprüft. In unter 50-jährigen Männern war das Multidrug-Resistance Protein MDR1 signifikant höher exprimiert verglichen zu Männern von 50 - 60 Jahren. OCT1 war in Patienten von 50 - 60 Jahren signifikant geringer exprimiert als in über 60-Jährigen. Daneben lieferte die Analyse aller Gewebeproben das Genexpressions-Profil von Arzneistofftransportern im humanen Lungengewebe, wobei OCT3 das höchste und OCT2 das geringste mRNA-Expressions-Niveau unter den untersuchten Transportern aufwies. Eine wesentliche Beteiligung von OCT3 an Transportvorgängen im humanen Lungengewebe erschien damit wahrscheinlich. Resümierend konnte mit der vorliegenden Arbeit ein Beitrag zur Aufklärung des Einflusses von Arzneistofftransportern auf die pulmonale Absorption inhalativ verabreichter Arzneistoffe geleistet werden. Dabei konnte OCT3 erstmals als maßgeblich an der zellulären Aufnahme von Ipratropiumbromid beteiligter Transporter in der humanen Lunge identifiziert werden, womit einerseits die Beteiligung von Arzneistofftransportern an pharmakokinetischen Prozessen in vivo und andererseits die Bedeutung von Arzneistofftransportern für die inhalative Arzneimitteltherapie deutlich wurde. / Drug transporters facilitate the transport of endogenous and exogenous compounds across cell membranes. Therefore they contribute to the absorption, distribution and elimination of drugs. Pulmonary administered drugs, such as members of the drug class of betamimetics or anticholinergics, are known substrates of relevant pulmonary expressed drug transporters. Despite intensified research in the field of transporter expression few data are available about their expression in the human lung and the pharmacokinetic implications on pulmonary administered drugs. The aim of this thesis was to investigate the impact of drug transporters on the absorption of inhaled drugs and to gain insights into their expression profiles in human lung tissue. Pharmacokinetic properties of the inhaled anticholinergic ipratropium bromide were explored using an ex vivo model of the human lung. After preceding application of the competitive OCTN1/2-inhibitor L-carnitine no significant decrease of the amount of absorbed active ingredient was detected. This contradicted previous assumptions regarding the contribution of the organic cation/carnitine transporters OCTN1 and OCTN2 to the absorption of ipratropium bromide. Consequently the involvement of additional transporters was hypothesized. For the first time pharmacokinetic data of the pulmonary absorption obtained by employing the human lung perfusion model were correlated with the mRNA and protein expression of drug transporters in respective individual tissue samples. The pulmonary gene expression of the multidrug resistance–related protein MRP5 showed a significant negative correlation with the area under the curve (AUC0 – 60 min) of ipratropium bromide (r = -0,699; p < 0,05). This might indicate that MRP5 contributes to the redistribution processes of ipratropium bromide in the human lung. A positive correlation between the protein expression of the organic cation transporter OCT3 and the AUC0 – 60 min of ipratropium bromide was detected (r = 0,7499, p < 0,05) suggesting a potential involvement of OCT3 in the absorption of ipratropium bromide in the luminal lung area. Uptake assays using stably transfected HEK293 cells were performed to substantiate this hypothesis. Both organic cation transporters, OCT1 and OCT3, contributed significantly to an increased cellular uptake of the tritium labeled bronchodilators ipratropium bromide and salbutamol. Thus, the contribution of OCT3 to the cellular uptake of both pharmaceutical substances was demonstrated for the first time. Gender-specific differences of drug transporter expression are of major interest in the context of gender medicine. In vitro incubation studies with the human bronchial epithelial cell line Calu-3 for the first time elucidated whether physiological concentrations of the three sex steroid hormones estradiol, progesterone and testosterone exert a regulatory effect upon the mRNA expression of membrane transporters. By thoroughly optimized and carefully validated RT-qPCR analytics statistically significant differences in gene expression were detected primarily after incubation with female sex hormones compared to no hormone exposure: After incubation with estradiol the peptide transporter PEPT2 (80,8 ± 15,6 %) and OCTN2 (82,8 ± 4,2 %) showed decreased expression whereas the multidrug resistance–related protein MRP1 (111,6 ± 9,1 %) as well as OCTN1 (112,9 ± 10,1 %) were upregulated after addition of both estradiol and progesterone compared to no treatment. Since estradiol is also a known inhibitor of the transport mediated by OCT1 and OCT3 its impact on the uptake of tritium labeled ipratropium bromide was investigated in stably transfected HEK293 cells. Indeed, a reduced cellular uptake of ipratropium bromide was observed after incubation with estradiol, also at physiological concentrations. Therefore, a gender-specific inhibition of both transporters in vivo is conceivable and could result in gender-specific pharmacokinetic characteristics for substrates of these transporters. Moreover, the gene expression of drug transporters in approximate 80 lung tissue samples was examined regarding gender and age related differences. The multidrug resistance protein MDR1 was significantly higher expressed in men younger than 50 years compared to 50 - 60 year old men. OCT1 was significantly less expressed in 50 - 60 years old patients compared to patients older than 60 years. Furthermore, the gene expression profile of drug transporters in the human lung was analyzed. In all tissue samples OCT3 showed the highest mRNA expression level whereas OCT2 was least expressed amongst the investigated transporters. This suggested a substantial involvement of OCT3 in transport processes in human lung tissue. In conclusion, the present research contributed to the elucidation of the role of drug transporters in the pulmonary absorption of inhaled drugs. For the first time OCT3 was identified to be substantially involved in the cellular absorption of ipratropium bromide in human lungs. Hence, the data supported the involvement of drug transporters in pharmacokinetic processes in vivo and emphasized the importance of drug transporters for inhaled pharmacotherapy.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2009.

Ziel dieser Studie war es, die Verträglichkeit sowie die Pharmakokinetik des Angiotensin-Converting-Enzyme-Hemmers Enalapril nach oraler Applikation bei Brieftauben zu untersuchen. Hierdurch sollte eine effektive und sichere Dosierung für den Einsatz bei Vögeln am Beispiel der Taube bestimmt werden. Im ersten Teil der Studie wurde zur Überprüfung der Verträglichkeit drei Gruppen mit je acht Tauben über 21 Tage Enalapril in einer Dosierung von 5 mg/kg Körpermasse (KM), 10 mg/kg KM beziehungsweise ein Placebo in jeweils identischer Flüssigkeitsmenge in den Kropf appliziert. Während der Versuchsdauer wurden der Gesundheitsstatus sowie die Wasser- und Futteraufnahme regelmäßig kontrolliert und es wurden klinische, hämatologische, blutchemische und elektrokardiographische Kontrolluntersuchungen durchgeführt. Zwischen den Gruppen ergab sich an wenigen Tagen ein signifikanter Unterschied in der Wasseraufnahme. An zwei Untersuchungstagen waren die Kaliumwerte in allen Gruppen signifikant gegenüber den anderen Untersuchungstagen erhöht. Beide Veränderungen konnten aber nicht mit der Applikation bzw. der Dosierung von Enalapril in Zusammenhang gebracht werden. Weitere signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen wurden zu keinem Zeitpunkt und bei keiner Untersuchung festgestellt. Die Ergebnisse dieser Studie belegen die gute Verträglichkeit von Enalapril nach oraler Verabreichung auch in höheren Dosierungen und über einen längeren Zeitraum. Der zweite Teil der Studie diente der Festlegung einer geeigneten Dosierung von Enalapril bei Vögeln. Hierzu wurde zunächst 12 Tauben eine Dosis von je 2,5 mg/kg KM Enalapril in den Kropf appliziert und es wurden nach 2, 4, 6, 8, 12, 24 und 36 Stunden Blutproben entnommen. Mittels High Performance Liquid Chromatography (HPLC) wurde eine Verlaufskurve zur Enalaprilat-Konzentration im Blutplasma erstellt. Die maximale Konzentration (Cmax) wurde hierbei bereits bei der ersten Blutentnahme gemessen und erwies sich mit im Mittelwert 388,2 ±174,1 ng/ml als im Vergleich zu Werten beim Säuger sehr hoch. Im Anschluss wurde 12 Tauben eine Dosis von je 1,25 mg/kg KM Enalapril in den Kropf appliziert und es wurden Blutproben nach ½, 1, 1½, 2, 4, 6 und 8 Stunden entnommen. Der mittlere Cmax-Wert lag bei 116,1± 70,2 ng/ml und stellte sich ebenfalls bei der ersten Blutentnahme ein. Die Halbwertszeit lag im Mittel bei 2,68 Stunden, die Area under the Curve (AUC0-8) betrug 396,25 ng*h/ml. Bei beiden Versuchen lag die Wirkstoffkonzentration nach 8 Stunden unter 15 ng/ml. Die nach Applikation von 1,25 mg/kg Enalapril berechnete AUC entspricht weitgehend der für Hunde nach oraler Applikation von 0,5 mg/kg Enalapril angegebenen AUC. Dieser Parameter wie auch die kurze Halbwertszeit und die bereits bei den ersten Messungen erreichte Maximalkonzentration belegen die rasche Absorption, Metabolisierung und Elimination des Wirkstoffes und rechtfertigen die Empfehlung einer Dosierung von 1,25 mg/kg KM Enalapril zweimal täglich.

In den letzten Jahren zeichnet sich bei der Behandlung der Ornithose der sportlich genutzten Brieftaube die Entwicklung ab, anstelle der traditionellen intramuskulären Applikation von Doxycyclin eine orale Applikation über das Trinkwasser vorzuziehen, wofür bisher eindeutig experimentell belegte Dosierungsschemata fehlen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein oral zu verabreichendes Doxycyclin-Präparat auf seine Pharmakokinetik und Verträglichkeit bei Brieftauben zu untersuchen und ein geeignetes Dosierungsregime für die Trinkwasserapplikation zur Behandlung der Ornithose zu etablieren. Die anzuwendende orale Therapiedosis wurde in verschiedenen Schritten ermittelt. Zuerst wurde die Plasmakinetik von Doxycyclin nach einmaliger intraingluvialer Applikation von 60 mg Doxycyclin/kg KM bei einer Gruppe von 15 Brieftauben gemessen, um die gastrointestinale Resorption zu bewerten und pharmakokinetische Daten zu berechnen. Im zweiten Teil der Untersuchungen sollte an einer Gruppe von 36 Brieftauben überprüft werden, ob mit einer oralen Dosis von 30 mg Doxycyclin-Hyclat/ kg KM pro Tag, verteilt auf zwei Dosen zu 15 mg/kg KM, über einen Zeitraum von 14 Tagen Plasmaspiegel oberhalb 1,0 µg/ml bei geringen Fluktuationen erreicht werden können. Außerdem wurden in diesem Versuch Gewebespiegel von Doxycyclin in den Zielorganen von Chlamydophila psittaci (Lunge und Leber) von 12 Tauben jeweils 2 und 5 Stunden nach der letzten Doxycyclin-Applikation gemessen. In weiteren Untersuchungen sollten die Akzeptanz von Doxycyclin-supplementiertem Trinkwasser durch die Brieftauben sowie die daraus resultierenden Doxycyclin-Plasmaspiegel getestet werden. Dazu wurden in einem orientierendem Versuch 4 Tieren über 3 Tage Doxycyclin-supplementiertes Trinkwasser in der Konzentration von 800 mg/l Doxycyclin, anschließend in einem Hauptversuch 18 Brieftauben über 10 Tage supplementiertes Trinkwasser in der Konzentration von 750 mg/l angeboten, dem jeweils 1,0 g Zitronensäure/l beigemischt war. Die Verträglichkeit von Doxycyclin bei Brieftauben wurde im letzten Teil der Studie überprüft. Jeweils 12 Brieftauben wurden 5 Versuchsgruppen zugeteilt. Über einen Zeitraum von 20 Tagen wurden jeder Taube täglich Doxycyclin-Lösungen in folgenden Dosierungen oral appliziert: 0 mg/kg (Placebogruppe), bzw. 30 mg/kg, bzw. 45 mg/kg, bzw. 60 mg/kg, bzw. 150 mg/kg KM; die Dosis wurde auf zwei gleiche Mengen pro Tag verteilt. Mittels klinischer, blutchemischer, hämatologischer und pathologischer Untersuchungen wurde der Gesundheitsstatus der Tiere überwacht. Es zeigte sich, dass Doxycyclin nach oraler Gabe von 60 mg/kg KM an Brieftauben gut aus dem Gastrointestinaltrakt resorbiert wurde. Eine maximale Plasmakonzentration von 8,1 µg/ml wurde 6 h post applicationem erreicht und es wurde eine Plasmahalbwertszeit von 11,3 h ermittelt. DiePlasmaspiegel erwiesen sich in Anbetracht des angestrebten Wertes von 1,0 µg Doxycyclin/ ml Plasma zur Ornithosetherapie als ausreichend hoch. Bei Gabe von 30 mg Doxycyclin/kg KM pro Tag, verteilt auf 2 gleiche Einzeldosen, über einen Zeitraum von 14 Tagen, wurden maximale Plasmakonzentrationen von durchschnittlich 2,4 µg/ml, minimale Plasmakonzentrationen von im Mittel 1,8 µg/ml gemessen. Die Versuchsergebnisse bestätigen, dass die verabreichte Dosis ausreichend ist, um mittels oraler Applikation einen Plasmaspiegel von > 1,0 µg/ml, entsprechend den Anforderungen der PSITTAKOSE-VERORDNUNG (2005), zu gewährleisten. Noch ausgeprägter als im Plasma, reicherte sich das stark lipophile Doxycyclin in den Zielgeweben Lunge und Leber zum zwei-(Lunge) bis 7-fachen (Leber) gegenüber dem Blutplasma an. Im dritten Teil der Untersuchungen wurde mit einer täglichen durchschnittlichen Aufnahme von 37 ml/kg KM Doxycyclin-medikierten Trinkwassers (Konzentration von 750 mg Doxycyclin/ l) eine gute Akzeptanz des Präparates beobachtet. Während die Mittelwerte der Doxycyclin-Plasmaspiegel sich immer oberhalb der angestrebten 1,0 µg/ml befanden, verfehlten einzelne Tiere, jedoch nur in der ersten Hälfte des Applikationszeitraumes, an einzelnen Messzeitpunkten knapp diese Grenze. Die Supplementierung des Trinkwassers mit Zitronensäure erwies sich als notwendig, um die Ausfällung von Doxycyclin durch mehrwertige Kationen im Leitungswasser zu verhindern. Eine ausgezeichnete Verträglichkeit von Doxycylin bei der Zieltierart Brieftaube und oraler Applikation konnte bei 20-tägiger Applikation bis zur 2-fachen Überdosierung (60 mg/kg KM pro Tag) bestätigt werden. Eine höhere Überdosierung ist zu vermeiden, da in der Fünffachdosisgruppe (150 mg/kg KM pro Tag) Nebenwirkungen in Form von Regurgitieren und Leberbelastungen mit Polydipsie, Polyurie, Körpermasseverlust und einem Anstieg der Leberenzyme auftraten. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass anhand der vorliegenden Untersuchungsergebnisse bei Brieftauben eine tägliche orale Dosis von 30 mg/kg KM Doxycyclin über das Trinkwasser zu wirksamen Blutplasma- und Gewebespiegeln führt, bei guter Verträglichkeit, und somit zur Ornithosetherapie empfohlen werden kann. Eine mehr als 2-fache, akzidentelle Überdosierung des Präparates ist zu vermeiden.