Biopharmazie und Pharmakokinetik

Teil 9

Applikationswege

Dosis

Proteinbindung

↑↓

Plasmakonzentration

Gewebsakkumulation

↑↓

Gewebskonzentration

Wirkstoff-

effekte

Rezeptorgebundener Stoff

Postrezeptoreffekte

Biochemische Effekte

Pharmakologische Antwort

Metabolismus

↑↓

Exkretion

Pharmakokinetik - Pharmakodynamik

Phar

mak

odyn

amik

Ph

arm

akok

inet

ik

Unterschied klassischer Wirkstoff versus Biotech

1.  Biopharmaka liegen schon als endogene Substanz vor 2.  Basiswerte schwanken zirkadian oder irregulär 3.  Einsatz von Immunoassays, Radioassays, Bioassays, LCMS

wegen geringer Konzentration (bsp. IFN) 4.  Pharmakokinetik durch biologische Funktion bestimmt

hohe Wirkung – kurze HWZ, geringe Wirkung – lange HWZ (bsp. Albumin)

5.  Keine orale Applikation, S.C. = I.M. < I.V. bei Bioverfügbarkeit

6.  Meist geringes Verteilungsvolumen, erhöht bei aktiver Aufnahme

Grundsatz: Gleiche Bedingungen und Verhältnisse auch bei Biotech-Produkten

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Pharmakokinetik - Absorption

Orale Gabe bedingt nutzbar (BV < 5%), wegen - Abbau durch Peptidasen im GIT - Geringe Permeation durch Darmschleimhaut - Hoher First Pass Effekt durch Cytochrom P-450

Ansätze zur Lösung:

- nicht orale Gabe: nasal; Insulin, Oxytocin bukal perkutan pulmonal, Insulin

(Insulin, Dry Powder Inhaler) (rhDNAse, Pulmozyme®)

Bioverfügbarkeit bei s.c. und i.m. Gabe limitiert durch Abbau des Wirkstoffes im Gewebe

Bioverfügbarkeit im Vergleich der oralen, nasalen und pulmonalen Protein-

und Peptidapplikation

Proteine Peptide Oral 0-1 % 0-1% Nasal 1-10% 3-30% Pulmonal 20-80%

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Pharmakokinetik - Verteilung

Verteilungsstudien durchgeführt, um - Gewebe-Targeting und - Abbau und Eliminationsort zu bestimmen

Geringes Verteilungsvolumen (VV) (3-8 L)

Grund: schlechte Membrangängigkeit und Aufenthalt im extrazellulären Raum Bindung an Proteine und Aufnahme durch Gewebe kann VV erhöhhen (bsp. atrial natriuretische Peptid, Natrogstrim)

Pharmakokinetik - Proteinbindung Wie bei niedermolekularen Arzneistoffen: nur der freie,

ungebundene Teil ist aktiv und kann elimiert werden.

Endogene Proteine häufig in Wechselwirkung mit spezifischen Bindungsproteinen: IGF-1, IL-2, Somatropin Bsp: 95 % IGF-1 an Proteine gebunden – Hypoglykämie ! 92 % Nartogastrim 49 % met-Enkephalin (an Albumin) 65 % Octreotid (an LDL)

Pharmakokinetik - Elimination

Protein Protein Oligopeptid Tri- und Dipeptide

Aminosäure Glykosidasen Endopeptidasen Exopeptidasen

Abbau erfolgt über normale Stoffwechselwege wie für endogene Proteine

De novo Pool

Abbauorte: Leber Niere Rezeptorvermittelte Elimination

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Pharmakokinetik – Hepatische Elimination

Aufnahme aus dem Blutstrom in die Hepatozyten (Bsp.: Cyclosporin durch Diffusion) Problem: Carrier-Mechanismus für große Proteine

Rezeptovermittelt: Insulin, Glycoproteine LDL-Rezeptor: t-PA, Urokinase

Pharmakokinetik – Rezeptorvermittelte Elimination

Abbau auch in den gewünschten Zielzellen, Bsp: Insulin, t-PA, EGF, ANP, IL-10

Pharmakokinetik – Renale Elimination

Niere für applizierte und endogene Proteine (< 60kD) wichtigste Abbauorgan

Bsp: IFN, IL-2, M-CSF Wichtigster Schritt: Glomeruläre Filtration Elimination korreliert mit Nierenfunktionsleistung

IL-10 Dosisanpassung bei Funktionsstörung mit paralleler Elimination an zweiten Ort Cathepsin D ist hauptverantwortlich für Protein-Hydrolyse von IL-2

Clearances von Proteinen

Mw Ort der Eliminierung Mechanismus Begrenzender Faktor <500 Blut, Leber Extrazelluläre -

Hydrolyse Passive Diffusion

500-1.000 Leber Carrier Struktur Passive Diffusion Lipophilie

-50.000 Niere Glomeruli Mw -200.000 Niere, Leber Rezeptor-Endocytose Zucker, Ladung -400.000 Opsonisierung IgG, α2-Macroglobulin >400.000 Phagozytose Partikelaggregation

Glomuläre Filtrationsrate verschiedener Makromoleküle

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Pharmakokinetik – Renale Elimination

Angiotensin Bradykinin

Calcitonin Vasopressin Angiotension II kl

ausu

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evan

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Chemische und technologische Modifizierungen proteinogener Therapeutika

2. Gentechnisch Aminosäuresubstitution; Insulin lispro (wie behandelt) Zyklisierung; Cyclosporine Abbau von Zuckerketten (Deglykolisierung)

1. Modifizierungen häufig von der Biosynthese bedingt Bsp.: Glykosilierung (G), keine G in E. coli als Produzent starke, unterschiedliche G in Säugerzellsystemen

t-PA mangelhaft in E. coli biosynthetisiert, Wechsel in CHO-System

3. PEGylierung, Bsp.: IL-2

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Herausforderung: Drug delivery - Probleme

•  Keine orale Bioverfügbarkeit (max 1%) •  Parenterale Gabe

Hohe Kosten in der Produktion Hohe Sicherheitsstandards pulmonal, transdermal nasal, bukale Gabe

•  Applikation durch medizinisches Fachpersonal •  Immunogenität •  Chemische und physikalische Stabilität

„If you had the choice between one, two or three injections per day, or one, two or three drinks per day, which would you take?“

L. Bender, Emisphere Technologies Inc.

Pharmakokinetik

Insulin muteine

Insulin

Biotech-Prozess

Glu

cose

spie

gel

Zeit nach Injektion

Long acting insulin G

luco

sesp

iege

l

Zeit nach Injektion

Fast acting insulin

- Zn-Insulin - Lantus® - Physiologisches Insulin - Humalog®

Pharmakokinetik II

•  Pegylierung des IFN (Pegasys®)

IFN

α-2

a (U

/mL)

Tage nach Injektion ( s.c.)

IFN

α-2

a (U

/mL)

Tage nach Injektion (s.c.)

IFN α-2a

PEG-IFN α-2a

IFN α-2a

PEG

Zunahme der Halbwertszeit

Pegylierung von IL-2 gegenüber nicht modifizierten rhIL-2

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Herausforderung. Drug Delivery - solutions

Powderject®