Legemiddelmetabolisme er metabolsk nedbrytning av farmasøytiske stoffer eller fremmedfrekvente stoffer av levende organismer, vanligvis gjennom spesialiserte enzymsystemer . Mer generelt er xenobiotisk metabolisme settet av metabolske veier som modifiserer den kjemiske strukturen til xenobiotika, som er forbindelser fremmede for den normale biokjemien til en organisme, for eksempel et hvilket som helst medikament eller gift .
Reaksjonene til disse veiene er av stor interesse for farmakologi og medisin . For eksempel bestemmer metabolismens hastighet varigheten og intensiteten av den farmakologiske virkningen til et medikament. Det påvirker også multimedikamentresistens ved infeksjonssykdommer og kjemoterapibehandlinger . Videre er virkningen av noen medikamenter som substrater eller hemmere av enzymer involvert i metabolismen av xenobiotika en vanlig årsak til farlige legemiddelinteraksjoner.
De er også viktige innen miljøvitenskap , ettersom den fremmedfrekvente metabolismen av mikroorganismer bestemmer om en forurensning vil brytes ned under bioremediering eller om den vil vedvare i miljøet. Enzymer av xenobiotisk metabolisme, spesielt glutation S-transferaser (GST), er også viktige i landbruket siden de kan produsere resistens mot plantevernmidler og ugressmidler.
De eksakte forbindelsene en organisme blir utsatt for er stort sett uforutsigbare og kan variere over tid. [ 1 ] For å løse dette problemet har løsninger utviklet seg over tid til en planlagt kombinasjon av fysiske barrierer og enzymsystemer med lav spesifisitet.
Alle organismer bruker cellemembraner som hydrofobe permeabilitetsbarrierer for å kontrollere tilgangen til deres indre miljø. Polare forbindelser kan ikke diffundere gjennom dem, og opptaket av nyttige molekyler formidles av transportproteiner som spesifikt velger substrater fra den ekstracellulære blandingen. Dette selektive opptaket betyr at de fleste hydrofile molekyler ikke kan komme inn i celler, da de ikke gjenkjennes av noen spesifikk bærer. [ 2 ] I motsetning til dette kan ikke diffusjonen av hydrofobe forbindelser gjennom disse barrierene kontrolleres, og derfor kan ikke organismer utelukke lipidløselige xenobiotika ved bruk av membranbarrierer.
Imidlertid betyr eksistensen av en permeabilitetsbarriere at organismer var i stand til å utvikle avgiftningssystemer som utnytter hydrofobisiteten som er felles for membranpermeable fremmedlegemer. Derfor løser disse systemene spesifisitetsproblemet ved å ha så brede substratspesifisiteter at de metaboliserer nesten enhver ikke-polar forbindelse. [ 1 ] Nyttige metabolitter utelukkes da de er polare, og generelt inneholder en eller flere ladede grupper.
Avgiftning av de reaktive biproduktene av normal metabolisme kan ikke oppnås med systemene beskrevet ovenfor, fordi disse artene er avledet fra normale cellulære komponenter og generelt deler sine polare egenskaper. Men siden disse forbindelsene er få i antall, kan spesifikke enzymer gjenkjenne og fjerne dem. Eksempler på disse spesifikke avgiftningssystemene er glyoksalasesystemet , som fjerner reaktivt metylglyoksalaldehyd , [ 3 ] og de forskjellige antioksidantsystemene som fjerner reaktive oksygenarter . [ 4 ]
Metabolismen av fremmedlegemer er ofte delt inn i tre faser: modifikasjon, konjugering og utskillelse. Disse reaksjonene virker på en koordinert måte for å avgifte xenobiotika og fjerne dem fra cellene.
I fase I virker en rekke enzymer for å introdusere reaktive og polare grupper på deres substrater. En av de vanligste modifikasjonene er hydroksylering katalysert av det cytokrom P450-avhengige oksidasesystemet med blandet funksjon . Disse enzymkompleksene virker for å inkorporere et oksygenatom i ikke-aktiverte hydrokarboner, noe som kan resultere i innføring av hydroksylgrupper eller N-, O- og S-dealkylering av substrater. [ 5 ] Reaksjonsmekanismen til P-450-oksidaser fortsetter gjennom reduksjon av cytokrombundet oksygen og generering av en svært reaktiv oxyferril-art, i henhold til følgende skjema: [ 6 ]
O 2 + NADPH + H + + RH → NADP + + H 2 O + ROHFase I-reaksjoner (også kalt ikke-syntetiske reaksjoner) kan oppstå ved oksidasjon , redoks , hydrolyse , cyklisering , decyklisering og oksygentilsetning eller hydrogenfjerning, utført av oksidaser med blandet funksjon, ofte i leveren. Disse oksidative reaksjonene involverer vanligvis cytokrom P450 monooksygenase (CYP for kort), NADPH og oksygen. Farmasøytiske legemiddelklasser som bruker denne metoden for deres metabolisme inkluderer fentiaziner , acetaminophen og steroider . Hvis metabolittene fra fase I-reaksjoner er polare nok, kan de lett skilles ut på dette tidspunktet. Imidlertid blir mange fase I-produkter ikke raskt eliminert og gjennomgår en påfølgende reaksjon der et endogent substrat kombineres med den nylig inkorporerte funksjonelle gruppen for å danne et svært polart konjugat.
En vanlig fase I-oksidasjon innebærer konvertering av en CH-binding til en C-OH-binding. Denne reaksjonen konverterer noen ganger en farmakologisk inaktiv forbindelse (et prodrug) til en farmakologisk aktiv. Tilsvarende kan fase I konvertere et ikke-giftig molekyl til et giftig (forgiftning). Enkel hydrolyse i magen er normalt en ufarlig reaksjon, men det finnes unntak: for eksempel konverterer fase I-metabolisme acetonitril til HOCH 2 CN, som raskt dissosieres til formaldehyd og hydrogencyanid . [ 7 ]
Fase I metabolisme av legemiddelkandidater kan simuleres i et laboratorium ved bruk av ikke-enzymatiske katalysatorer. [ 8 ] Dette eksempelet på en biomimetisk reaksjon har en tendens til å gi produkter som ofte inneholder metabolitter i fase I. For eksempel kan hovedmetabolitten til trimebutin , desmetyltrimebutin (nor-trimebutin), produseres effektivt ved in vitro-oksidasjon av det kommersielt tilgjengelige stoffet. Hydroksylering av en N-metylgruppe fører til utstøting av et formaldehydmolekyl , mens oksidasjon av O-metylgrupper finner sted i mindre grad.
OksidasjonCytokrom P450 reduktase, også kjent som NADPH:ferrihemoproteinoksidoreduktase, NADPH:hemoproteinoksidoreduktase, NADPH:P450 oksidoreduktase, P450 reduktase, POR, RCP, CYPOR, er et membranbundet enzym som kreves for overføring av elektroner til cytokrom P45 den eukaryote cellen fra et enzym som inneholder FAD og FMN NADPH:cytokrom P450 reduktase. Det generelle skjemaet for elektronstrøm i POR/P450-systemet er:
NADPH → FAD → FMN → P450 → O2Under reduksjonsreaksjoner kan et kjemikalie gå inn i sløsende sykluser, der det får et elektron fra frie radikaler, for så raskt å miste det til oksygen (for å danne et superoksidanion ).
HydrolyseI påfølgende fase II-reaksjoner blir disse aktiverte xenobiotiske metabolittene konjugert med ladede arter som glutation (GSH), sulfat , glycin eller glukuronsyre . Steder hvor konjugasjonsreaksjoner forekommer i legemidler inkluderer karboksyl (-COOH), hydroksyl (-OH), amino (NH 2 ) og tiol (-SH) gruppene. Produktene av konjugasjonsreaksjoner øker i molekylvekt og har en tendens til å være mindre aktive enn deres substrater, i motsetning til fase I-reaksjoner som ofte produserer aktive metabolitter . Tilsetning av store anioniske grupper (som GSH) avgifter reaktive elektrofiler og produserer mer polare metabolitter som ikke kan diffundere over membraner og dermed kan transporteres aktivt.
Disse reaksjonene katalyseres av en stor gruppe bredspesifikke transferaser, som i kombinasjon kan metabolisere nesten enhver hydrofob forbindelse som inneholder nukleofile eller elektrofile grupper. [ 1 ] En av de viktigste klassene i denne gruppen er glutation S-transferasene (GST).
| Mekanisme | enzym involvert | Kofaktor | plassering | Referanse |
|---|---|---|---|---|
| metylering | metyltransferase | S-adenosylmetionin | Lever, nyre, lunge, CNS | [ 9 ] |
| Sulfering | Sulfotransferaser | 3'-fosfoadenosin-5'-fosfosulfat | lever, nyre, tarm | [ 9 ] |
| Acetylering |
|
Acetylkoenzym A | Lever, lunge, milt, mageslimhinne, røde blodlegemer, lymfocytter | [ 9 ] |
| Glukuronidering | Glukuronyltransferaser | Uridin difosfat glukuronsyre | Lever, nyre, tarm, lunge, hud, prostata, hjerne | [ 9 ] |
| Glutationkonjugasjon | Glutation S-transferaser | Glutation | Lever nyre | [ 9 ] |
| glycin-konjugasjon | To-trinns prosess:
|
glycin | Lever nyre | [ 10 ] |
Etter fase II-reaksjoner kan de xenobiotiske konjugatene metaboliseres ytterligere. Et vanlig eksempel er prosessering av glutationkonjugater til acetylcystein (merpurinsyre) konjugater. [ 11 ] Som et siste trinn acetyleres cysteinresten i konjugatet .
Konjugatene og deres metabolitter kan skilles ut fra celler i fase III av deres metabolisme, med de anioniske gruppene som fungerer som affinitetsmarkører for en rekke membrantransportører av P-glykoproteinfamilien . [ 12 ] Disse proteinene er medlemmer av ABC-transportørfamilien og kan katalysere den ATP-avhengige transporten av en lang rekke hydrofobe anioner, [ 13 ] og dermed virke for å fjerne fase II-produkter inn i det ekstracellulære mediet, hvor de kan metaboliseres ytterligere. eller utskilles. [ 14 ]
Avgiftning av endogene reaktive metabolitter som peroksider og reaktive aldehyder kan ofte ikke oppnås med systemet beskrevet ovenfor. Dette er fordi disse artene er avledet fra normale cellulære bestanddeler og generelt deler sine polare egenskaper. Siden disse forbindelsene er få i antall, er det imidlertid mulig for enzymsystemer å bruke spesifikk molekylær gjenkjennelse for å gjenkjenne og fjerne dem. Likheten mellom disse molekylene og nyttige metabolitter betyr at forskjellige avgiftningsenzymer generelt er nødvendige for metabolismen av hver gruppe endogene toksiner. Noen eksempler på disse spesifikke avgiftningssystemene er glyoksalasesystemet, som virker for å kvitte seg med det reaktive aldehydet metylglyoksal, og de forskjellige antioksidantsystemene som fjerner reaktive oksygenarter.
Kvantitativt er levercellens glatte endoplasmatiske retikulum hovedorganet i legemiddelmetabolismen, selv om hvert biologisk vev har en viss kapasitet til å metabolisere legemidler. Leveren er så viktig i denne prosessen fordi den er et stort organ, det er det første organet som perfunderes av kjemikalier absorbert fra tarmen, og fordi de fleste legemiddelmetaboliserende enzymsystemer finnes i svært høye konsentrasjoner i forhold til andre organer. Hvis et medikament tas inn i mage-tarmkanalen, hvor det kommer inn i leversirkulasjonen gjennom portvenen , metaboliseres det godt og sies å vise en førstegangseffekt .
Andre steder hvor legemiddelmetabolisme oppstår er epitelcellene i mage-tarmkanalen, lungene, nyrene og huden. Disse er vanligvis ansvarlige for lokaliserte toksisitetsreaksjoner.
Varigheten og intensiteten av farmakologisk virkning av de fleste lipofile legemidler bestemmes av hastigheten som de metaboliseres til inaktive produkter. Cytokrom P450 er den viktigste veien i denne forbindelse.
Generelt vil alt som øker metabolismehastigheten (f.eks. ved enzyminduksjon ) av en farmakologisk aktiv metabolitt redusere varigheten og intensiteten av legemidlets virkning. Det motsatte kan også være sant (for eksempel ved enzymhemming ); i tilfeller hvor et enzym er ansvarlig for å metabolisere et prodrug til et medikament, kan imidlertid enzyminduksjon akselerere denne konverteringen og øke medikamentnivåene, noe som potensielt kan forårsake toksisitet.
Dosen, frekvensen, administrasjonsveien, vevsfordelingen og proteinbindingen til legemidlet påvirker metabolismen.
Det er fysiologiske og patologiske faktorer som også kan påvirke metabolismen av legemidler. Fysiologiske faktorer kan være alder, kjønn, farmakogenomikk , enterohepatisk sirkulasjon , ernæring eller tarmflora . Patologiske faktorer kan være sykdommer i lever, lunge eller hjerte. I tillegg metaboliseres legemidler generelt langsommere hos fostre, nyfødte og hos eldre mennesker og dyr.
Genetisk variasjon ( polymorfisme ) forklarer noe av variasjonen i medikamenteffekt. Med N-acetyltransferaser (involvert i fase II-reaksjoner), skaper individuell variasjon en gruppe mennesker som acetylerer sakte ( langsomme acetylatorer ) og de som acetylerer raskt. I Canada ble det anslått at omtrent halvparten av befolkningen tilhører hver av disse gruppene. Denne variasjonen kan ha dramatiske konsekvenser, ettersom langsomme acetylatorer er mer utsatt for overdoseringstoksisitet.
Cytokrom P450 monooksygenaseenzymer kan også variere mellom individer, med mangler som forekommer hos mellom 1 % og 30 % av befolkningen, avhengig av etnisitet.
In silico- modellering og simuleringsmetoder gjør det mulig å forutsi legemiddelmetabolisme i virtuelle pasientpopulasjoner før man utfører kliniske studier på mennesker. [ 15 ] Dette kan være nyttig for å identifisere personer med høyere risiko for bivirkninger.
Studier av hvordan mennesker transformerer stoffene de inntar begynte på midten av 1800-tallet, da kjemikere oppdaget at organiske stoffer som benzaldehyd kunne oksideres og konjugeres med aminosyrer i menneskekroppen. [ 16 ] I løpet av resten av 1800-tallet ble andre grunnleggende avgiftningsreaksjoner oppdaget, inkludert metylering , acetylering og sulfonering .
På begynnelsen av 1900-tallet vendte arbeidet seg mot undersøkelsen av enzymene og veiene som er ansvarlige for produksjonen av disse metabolittene. Dette feltet ble definert som et eget studieområde med utgivelsen av boken Detoxication mechanisms av Richard Williams i 1947. [ 17 ] Denne moderne biokjemiske forskningen resulterte i identifisering av glutation S-transferaser (GSTs) i 1961, [ 18 ] etterfulgt av oppdagelsen av cytokrom P450s i 1962, [ 19 ] og undersøkelsen av dens rolle i fremmedfrekvent metabolisme i 1963. [ 20 ] [ 21 ]