METABOLIZEM ZDRAVIL

Sesalci imajo kompleksen sistem, ki detoksificira tuje (ksenogene) substance. V to katregorijo spadajo kancerogene snovi, strupi rastlin pa tudi zdravila, za katere je značilna kiralnost (obstaja več kot ena stereoizomera).
Metabolizem zdravil obsega dve vrsti reakcij: I. in II. Fazo. I.faza vključuje oksidacijo , redukcijo ali hidrolizo, pri tem pa običajno neko reaktivno skupino spremeni v manj nevarno, obstajajo pa tudi izjeme nevarnejših produktov. Faza I. vključuje konjugacijo. Načeloma obe fazi znižujeta lipidotopnost in stem promovirata renalno izločanje snovi. Oba procesa sta prisotna v jetrih, nekateri pa tudi v pljučih,plazmi in črevesju.
Večina hepatičnih metabolnih encimov (tudi P450), imenovanih mikrosomalni, je locirana v gladkem ER. Zdravila morajo naprej prestopiti plazmalemo hepatocitov,polarna težje kot nepolarna. Jetrni metabolizem zajema zlasti nepolarna zdravila, polarna pa se po večini nespremenjena izločajo skozi ledvica.
Stereoselektivnost : Večina pomembnih zdravil je mešanica stereoizomer, ki imajo različne lastnosti in metabolne poti.Toksičnost je navadno vezana na eno izomero.

REAKCIJE I. FAZE:
 P450 MONOOKSIGENAZNI SISTEM
Citokrom P450 so hemski proteini, ki imajo enotne redukcijske lastnosti, funkcije pa različne. Lastnosti so popolnoma odvisne od hemskega železovega iona, ki leži v sredini oktahedralnega kompleksa s šestimi ligandi in lahko zaseda penta- ali heksakoordinacijsko konfiguracijo. P450 imajo tudi podobne spektralne lastnosti, reducirane oblike reagirajo s CO v vijolično spojin o z abs. maksimumom 450nm.
Tabela 1: SUBSTRATI P450 ENCIMOV
Poznamo veliko družino jetrnih P450, ki se
razlikujejo v AK sekvenci, specifičnosti
reakcij, inhibitorjih in induktorjih. Poznamo
74 družin z glavnimi CYP 1, 2, 3, ki so
vpleteni v matabolizem zdravil v jetrih.
Glavni so navedeni v tabeli 1.









OKSIDACIJA ZDRAVIL S P450
Oksidacije z monooksigenaznim sistemom potrebujejo molekularni kisik, NADPH in flavoprotein NADPH P450 reduktazo (je donor enega ali dveh elektronov), ki vstopajo v reakcijo s substratom (SH) in P450. P450
Primer je hidroksilacija substrata: SH SOH


NADPH+02 NAD+H2O
En atom kisika se porabi za hidroksilacijo, drugi pa za nastanek vode.

VARIABILNOST P450
Variabilnost P450 encimov pri ljudeh in živalih znotraj vrste
je lahko posledica genskega polimorfizma.

INHIBICIJA P450
Inhibitorji se razlikujejo v visoki specifičnosti za posamezne
izomere encimov in so različni glede mehanizma delovanja.
Nekomp. inhibitorji ( pr. ketokonazol ) se tesno povežejo z
železom v CYP3A4; povzročajo nekomp.inhibicijo. Spet
drugi so kompet. inhib., a niso substrati (kvinidin za CYP2D6).
T.i. metabolno odvisni inhibitorji nastajajo v oksidaciji s P450
nato pa ga inkhibirajo( suicidna inhibicija).
Tudi snovi iz sadja in zelenjave so lahko inhibitorji: snov iz
grenivke inhibira metabolizem terfenadina, iz brstičnega
ohrovta in tobačnega dima pa inducira P450.
Če se neko zdravilo (npr. lignokain) v jetrih intenzivno metabolizira v reakcijah prve faze, potem variacije v krvnem pretoku jeter bistveno vplivajo na hitrost s katero je neko zdravilo inaktivirano. Zmanjšan minutni volumen pomeni tudi manjši pretok skozi jetra in negativna inotropna zdravila (kot je propranolol) zmanjšajo hitrost metabolizma tega zdravila.

DRUGE REAKCIJE I. FAZE
Vse rekcije I. faze ni so vezane na P450. Tako se etanol
presnavlja z alk.dehidrogenazo, 6-merkaptopurin s ksantin
oksidazo, biogeni amini pa z monoaminooksidazo.
Reduktivne reakcije so redke, a vendar pomembne(varfarin
s CYP3A4).
Hidrolitične reakcije ne potekajo v jetrih ampak v drugih tkivih in plazmi. V teh reakcijah se metabolizirajo estri ( salicilns kislina ) in amidi.


REAKCIJE DRUGE FAZE

V drugi fazi se zdravilo oziroma njegov metabolit konjugira s snovmi v telesu, kot je glukoronska kislina, aktivni acetat ali sulfat, aminokisline ali glutation. Pri tem je potrebna energija v obliki ATP. Konjugati so biološko neaktivni in topni v vodi, tako da se izločajo z urinom in žolčem.

Reakcije konjugacije

1. Nastanek glukoronida.
Zdravila se pogosto vežejo z glukoronsko kislino. Od uridin difosfat glukoronske kisline se del (glukoronska kislina) odcepi in veže na substrat, pri čemer nastane amidna, esterska ali tiolna vez. Reakcijo katalizira UDP- glukoronil transferaza v jetrih.
2. Nastanek sulfata.
Aktivna sulfatna skupina se prenese na hidroksilne in amino skupine, kar katalizirajo sulfotransferaze.
Metilacija.
Aktivna metilna skupina S- adenozilmetionina se prenese na atom kisika ali
dušika.
3. Acetilacija.
Acetilni ostanek AcCoA acetiltransferaza prenese na amino skupine na molekuli substrata.
4. Konjugacija z aminokislinami.
Vezava glicina z benzojevo kislino.
5. Konjugacija z glutationom.
Glutation reagira z epoksidi, pri čemer se omogoča pretvorba toksičnih metabolitov v netoksične, ki se potem izločijo z urinom.

Biotransformacija lahko povzroči izgubo farmakološke aktivnosti in tako koncentracija aktivnega zdravila v organizmu pada (presistemski metabolizem). Če govorimo o zdravilih, je ta proces inaktivacija, če pa govorimo o strupih, je ta proces detoksikacija. Med tem metabolizmom postanejo vsa hidrofobna zdravila hidrofilna in se lahko izločajo z urinom.

INDUKCIJA MIKROSOMNIH ENCIMOV

Nekatera zdravila (rifampicin, etanol, karbamazepin) inducirajo povečano sintezo mikrosomnih encimov.Tak učinek ima tudi nekaj karcinogenih kemikalij. Indukcija lahko zmanjša ali poveča toksičnost zdravila. Natančen mehanizem indukcije še ni znan, a je podoben delovanju steroidnih hormonov. Na primer, policiklični aromatični hidrokarboni se vežejo na topne aromatične hidrokarbonske receptorje. Kompleks se prenese v jedro, kjer se veže na DNA in omogoča transkripcijo gena CYP1A1.

FARMAKOLOŠKO AKTIVNI METABOLITI ZDRAVIL

Azatioprin (imunosupresivno zdravilo) se metabolizira v merkaptopurin. Enalapril pa v aktivno obliko enalaprilat. Ta zdravila, kjer prekurzor ni aktiven, imenujejo pro- zdravila.
Organizem lahko spremeni farmakološke akcije zdravil:
- Aspirin inhibira funkcijo trombocitov in ima antivnetne lastnosti. Ko se hidrolizira do salicilne kisline, ta ne inhibira trombocitov.
- Terfenadin je antihistaminik, ki lahko povzroči resne srčne aritmije. Njegov aktivni metabolit blokira H1 receptorje in ne povzroča aritmije. Farmakološko aktiven in netoksičen metabolit feksofenadin je nadomestil terfenadin.
- Metaboliti pa imajo lahko farmakološke akcije podobne svojim prekurzorjem, npr. benzodiazepini.
- Metaboliti so lahko tudi toksični (paracetamol je hepatotoksičen, ciklofosfamid pa je toksičen za žolčnik). Metanol in etilen glikol dajeta toksične metabolite po delovanju alkoholne dehidrogenaze.


FARMAKOKINETIKA

Farmakokinetika obravnava odnos med vnosom zdravila, časovnim potekom njegove porazdelitve in velikostjo koncentracij, ki so dosežene v različnih predelih telesa, torej poskuša razložiti, kako telo vpliva na zdravilo (in ne obratno, kar obravnava posebna veja, t.j. farmakodinamika). Tu bomo obravnavali le poenostavljene modele (z enim in dvema predelkoma) in poskušali povzeti učinke absorbcije, distribucije, metabolizma in ekskrecije na koncentracijo zdravila v telesu. Slednje je posebej pomembno iz kliničnega zornega kota, saj nam pomaga predvideti časovni potek delovanja zdravila.

MODEL Z ENIM PREDELKOM
Tukaj obravnavamo človeško telo, kot zelo poenostavljen model z enim samim predelkom, ki ima volumen Vd. Vanj intravensko vnesemo količino zdravila Q. Zdravilo izgineva z izločanjem ali pa metabolizmom.. Začetna koncentracija C(0) je tako Q/Vd Koncentracija ob nekem času t (C(t)) pa bo odvisna od hitrosti eliminacije. Večina zdravil odraža kinetiko prvega reda, pri čemer je hitrost eliminacje premosorazmerna s koncentracijo. Koncentracija zdravila nato eksponentno pada, kar opišemo z naslednjo enačbo:
C(t) = C(0)e-CLs/Vd*t
pri čemer je CLs skupni klirens zdravila (klirens metabolizma in renalne ekskrecije). Enačbo lahko zapišemo tudi v logaritemski funkciji:
lnC(t) = lnC(0)-CLs/Vd*t.
Če to enačbo prenesemo na graf, nam odnos –CLs/Vd predstavlja naklon premice, njena nasprotna vrednost (CLs/Vd) pa eliminacijsko konstanto kel. Razpolovni čas t1/2 je obratno sorazmerno povezan z kel in pomeni čas v katerem koncentracija pade za 50, tako velja:
t1/2 = ln2/kel.
Razpolovni čas v plazmi tako določata volumen predelka in skupni klirens zdravila (višji klirens ter manjši volumen pomenita manjši razpolovni čas in obratno).

EFEKT PONAVLJAJOČE DOZE
Zdravila navadno dajemo v večih odmerkih in ne z enkratnim vnosom. Če zdravilo npr. vnašamo s konstantno infuzijo, koncentracija v plazmi narašča, dokler ni doseženo ravnovesno stanje. To je takrat, ko je hitrost vnosa enaka hitrosti eliminacije. Zdravilo doseže to ravnovesno koncentracijo eksponentno. Pri ponavljajočih vnosih gre za nekoliko bolj kompleksen vzorec, princip pa ostaja isti. Manjši in pogostejši so vnosi, bolj se situacija približa tisti pri stalni infuziji (tako dosežemo čim manjša nihanja v koncentraciji). V praksi je ravnovesje navadno doseženo po treh razpolovnih časih (npr. če ima neko zdravilo t1/2 15 ur, se ravnovesna koncentracija doseže po približno dveh dneh). Seveda pa je model s samo enim predelkom močno poenostavljen, zato moremo upoštevati še predelke z drugačnimi lastnostmi (npr. maščobno tkivo), ki spremenijo kinetiko zdravila.

VPLIV RAZLIČNIH HITROSTI ASORBCIJE
Če vnašamo zdravila oralno, moramo upoštevati še absorbcijsko kinetiko, ki jo določata absorbcijska konstanta kabs in razpolovni čas absorbcije. Hitrost absorbcije je tako premosorazmerna s količino zdravila, ki še ni absorbirana (gradient med črevesjem in plazmo). Če se zdravilo absorbira počasi(daljši razpolovni čas), je najvišja koncentracija v plazmi dosežena kasneje in je nižja, kot pri zdravilih, ki se absorbirajo hitro. Ko se zdravilo popolnoma absorbira, začne koncentracija v plazmi eksponentno padati sorazmerno z razpolovnim časom eliminacije.

ZAPLETENEJŠI KINETIČNI MODELI
Lastnosti različnih telesnih organov, kot so možgani, maščevje in mišice, se razlikujejo v oskrbi s krvjo, prepustnosti kapilar za zdravilo, itd. Te razlike, ki jih model z enim predelkom ne upošteva, lahko pomembno vplivajo na časovni potek distribucije zdravila in njegovo delovanje. S tem se ukvarjajo podrobnejše matematične analize, ki presegajo naše znanje, zato bomo opisali le model z dvema predelkoma: periferni predelek, ki predstavlja neko tkivo ter centralni predelek ali plazma, kar že nekoliko bolj približa teorijo resničnemu stanju.

MODEL Z DVEMA PREDELKOMA
Ta model je široko uporaben približek za dogajanje v telesu. Periferni predelek predstavlja tkivo, v katerega lahko zdravila vstopajo in izstopajo le preko centralnega predelka, t.j preko plazme. Tako dodamo še sekundarno eksponentno komponento, ki vpliva na časovni potek plazemske koncentracije, ki je sedaj razdeljena na hitro in počasno fazo. Če je prenos med centralnim in preifernim predelkom hiter v primerjav z eliminacijo, potem prevlada hitra faza in ta predstavlja porazdelitev zdravila (molekule zdravila hitro prehajajo v tkivo in plazemska koncentracija se naglo znižuje). Plazemska koncentracija, ki je dosežena ob koncu hitre faze, in preden se začne eliminacija, nam pomaga pri določitvi volumna posameznih predelkov. Razpolovni čas počasne faze nam poda oceno o eliminacijski konstanti, kel. Če se zdravilo hitro metabolizira, hitra in počasna faza nista jasno ločeni in tako je računanje volumna predelkov in kel oteženo. To je težavno tudi pri zdravilih, ki so npr. močno topna v lipidih in tako vseh perifernih tkiv ne moremo obravnavati kot enega predelka, ampak je ponovno potreben drugačen pristop obravnave.

SATURACIJSKA KINETIKA
V nekaterih primerih (npr. etanol, fenitoin, salicilat) časovni potek izločanja snovi iz plazme ne sledi eksponentnemu vzorcu temveč je linearen (zdravilo se izloča s stalno hitrostji, neodvisno od plazemske koncentracije). To pogosto imenujemo kinetiko prvega reda ali saturacijska kinetika.Npr. v primeru etanola se le-ta izloča s stalnio hitrostjo 4mmol/h, neodvisno od koncentracije v plazm. Vzrok temu je omejen hitrost oksidacije z alkoholno dehidogenazo, ki doseže maksimum že pri nizkih koncentracijah etanola. Tu je omejujoč faktor NAD+ kofaktor.
Saturacijska kinetika ima tako več pomembnih posledic: trajanje učinka je bolj odvisno od velikosti doze, odnos med vneseno količino in ravnovesnim stanjem v plazmi je bolj strm in nepredvidljiv (koncentracija stalno narašča in ravnovesno stanje se ne doseže). V praksi to redko opazimo, saj so vpletene še druge metabolne poti z nesaturacijko kinetiko ter izločanje preko ledvic pri visokih koncentracijah. Take probleme lahko opazujemo pri zdravilih kot je fenitoin (antiepileptik) pri katerem moramo skrbno nadzorovati plazemsko koncentracij, da se doseže optimalni klinični učinek.

FARMAKOKINETSKE INTERAKCIJE
Na vse štiri glavne procese, ki določajo farmakokinetsko obnašanje zdravila (absorbcija,distribucija,metabolizem in izločanje) lahko vplivajo še druga zdravila, če jih jemljemo hkrati.
Absorbcijska faza:
GIT absorbcijo lahko upočasnijo zdravila, ki upočasnijo premičnost GIT, kot so npr. atropin ali opiati, ali pa pospešijo zdravila, ki pospešujejo praznjenje želodca (npr. metoklopramid). Lahko pride tudi do interakcije med dvema zdraviloma, kar inhibira absorbcijo enega izmed njih: tako kalcij in železo vežeta tetracikline in zavreta njihovo absorbcijo; holestiramin (za zdravljenje hiperholesterolemije) veže različna zdravila (warfarin, digoxin,…) in tudi otežuje njihovo absorbcijo. Adrenalin dodajajo pri lokalnih injiciranih anestetikih – vazokonstrikcija upočasni absorbcijo anestetika in tako podaljša njegov učinek.

Distribucijska faza:
Neko tdravilo lahko vpliva na distribucijo drugega, vendar so take interakcije redko klinično pomembne. Premestitev zdravila z njegovega vezavnega mesta v plazmi ali tkivu začasno poveča koncentracijo prostega (nevezanega) zdravila toda temu ustrezno sledi zvišana eliminacija in vzpostavi se novo ravnovesno stanje. Pri tem je sicer skupna koncentracija zdravila zmanjšana, koncentracija nevezanega zdravila pa je ostala enaka kot je bila pred dodatkom drugega »premestitvenega« zdravila.
Te interakcije imajo lahko več neposrednih klinično pomembnih posledic:
• toksičnost zdravila, preden se doseže novo ravnovesno stanje (med administracijo in izločanjem);
• upoštevati moramo, da se bo nivo koncentracije prvega zdravila po dodatku drugega spremenil;
• neko zdravilo lahko otežuje izločanje drugega, možni so toksični učinki.
Čeprav ima mnogo zdravil afiniteto za vezavo na plazemski albumin in bi tako pričakovali interakcije med njimi, je takih, ki so klinično pomembne, le nekaj. Med zdravila, ki vežejo proteine in v dovolj velikih odmerkih delujejo kot premestitvena zdravila, štejemo aspirin, različne sulfonamide in druge. Prestavitev bilirubina iz albumina s takimi zdravili ima lahko pri zlateničnih nedonošenčkih usodne posledice. Bilirubin se v nerazvitih jetrih še ne more metabolizirati, nevezan pa lahko prestopa krvno-možgansko bariero in povzroči kernikterus.
Fenitoin (antiepileptik) dajemo glede na meritve njegove koncentracije v plazmi (ta pove le skupno konc. in ne razlikuje med vezano in nevezano obliko). Če dodamo še neko premestitveno zdravilo, se zmanjša skupna koncentracija fenitoina (novo ravnovesno stanje), učinek zaradi nespremenjene količine proste oblike pa bo enak. Nova meritev seveda pokaže nižjo koncentracijo in če ne upoštevamo, kako je do tega prišlo ter predpišemo višjo dozo, lahko izzovemo toksičnost.
Fenilbutazon premesti warfarin iz albumina in selektivno inhibira metabolizem njegove farmakološke aktivne S izomere in tako podaljša protrombinski čas, kar vodi v pogostejše krvavitve.
Salicilati premestijo metotreksat iz albumina in zmanjšajo njegovo sekrecijo preko nefronov s kompeticijo za anionski prenašalec.
Mnoga antiaritmična zdravila (npr. qinidin, verapamil,amiodaron) premeščajo digoxin z njegovega tkivnega vezavnega mesta in zmanjšujejo njegovo renalno izločanje. Višje konc. digoxina so toksične, kar vodi v aritmijo.

Faza metabolizma:
Encimske indukcije (npr. z barbiturati, etanolom, rimfampicinom) so pomembni vzroki interakcij med zdravili. Poznamo vsaj 200 zdravil, ki so vzrok encimske indukcije in tako lahko znižajo farmakološko aktivnost drugih zdravil. Ti inducirajoči agensi so seveda tudi sami substrat za encime, ki jih inducirajo, kar počasi lahko vodi v razvoj tolerance. Encimska indukcija lahko poveča toksičnost drugega zdravila preko njegovih metabolitov. Paracetamol je tak primer: njegov toksični metabolit je N-aceti-benzokvinon imin in nastaja s pomočjo citokroma P-450. Če je delovanje le-tega ojačano zaradi kronične uporabe barnbituratov ali alkohola, lahko pride pri teh pacientih pri predoziranju paracetemola do hudih hepatičnih okvar. Če dajemo antibiotik rimfampicin 3 dni, ta zmanjša antikoagulantno učinkovitost warfarina.
Encimska indukcija je lahko tudi uporabna. Obsežna zlatenica novorojenčkov lahko povzroči možganske poškodbe. Fenobarbiton pa inducira glukoronil transferazo, posledično poviša konjugacija bilirubina in tako zmanjša tveganje.
Encimska inhibicija, predvsem P-450 sistema, je posledica mnogih zdravil. To upočasni metabolizem in poveča aktivnost drugih zdravil. Ti učinki so lahko klinično pomembni, vendar je težko predvideti, katero zdravilo bo delovalo na ta način (različni agensi inhibirajo različne citokrome P-450). Terapevtski učinki nekaterih zdravil so neposredne posledice encimske inhibicije, ti tarčni encimi pa igrajo vlogo v metabolizmu drugih zdravil. Npr. alopurinol, ki se uporablja za zdravljenje protina, inhibira ksantinsko oksidazo, ta pa metabolizira določena citotoksična in imunosupresivna zdravila (npr. merkaptopurin – njegovo delovanje je ob alopurinolu potencirano in podaljšano). Metronidazol (za anaerobne bakterijske okužbe in okužbe s pšraživalmi) inhibira aldehid dehidrogenazni kompleks, zato se morajo bolniki,ki jemljejo ta antibiotik, izogibati uporabi alkohola.
V drugih primerih je inhibicija metabolizma zdravila večkrat nepričakovana, saj ni glavni mehanizem delovanja. Tako steroidi in cimetidin povečajo aktivnost nekaterih antidepresivov in citotokskčnih zdravil.

Faza ekskrecije:
Glavni mehanizmi medsebojnih vplivov zdravil na renalno ekskrecijo:
• spreminjanje vezave na proteine in s tem hitrost filtracije
• z inhibicijo tubulne sekrecije: npr. probenecid inhibira izločanje penicilina in tako podaljša njegovo delovanje
• s spreminjanjem pretoka urina in/ali njegovega pH: diuretiki povečujejo urinarno ekskrecijo drugih zdravil.