2. Literaturübersicht
2.6. Allgemeine Grundprinzipien der Pharmakokinetik
Die Pharmakokinetik befasst sich als Teilgebiet der Pharmakologie mit Konzentrationsveränderungen von Arzneistoffen im Organismus in Abhängigkeit von der Zeit und deren mathematischer Beschreibung (MUTSCHLER 1991). Über den Konzentrationsverlauf eines Pharmakons nach der Applikation bzw. seine Verweildauer im Organismus bestimmen nach BAGGOT (1978), KOCH und RITSCHEL (1986), MUTSCHLER (1991):
- Liberation- Freisetzung des Wirkstoffes aus der Arzneiform - Absorption- Resorption
- Distribution- Verteilung im Organismus - Metabolisierung- Biotransformation - Elimination
Wichtige pharmakokinetische Parameter sind in diesem Zusammenhang die Bioverfügbarkeit, scheinbares Verteilungsvolumen, Halbwertzeit und Clearance (FICHTL 2001). Sie werden
aus Konzentrations-Zeit-Verläufen von Arzneistoffen und gegebenenfalls deren Metaboliten in der Kreislaufflüssigkeit (Blut, Plasma, Serum) und dem Harn ermittelt (MUTSCHLER 1991).
Um den zeitlichen Konzentrationsverlauf eines Arzneistoffes im Blut, Plasma und Urin zu veranschaulichen, werden oft pharmakokinetische Modelle benutzt. Diese sogenannten Kompartiment-Modelle erlauben eine mathematische Beschreibung der komplexen Verteilungs- und Eliminationsvorgänge eines Pharmakons im Organismus (DYKE und SAMS 1994). Dabei wird der Organismus in Kompartimente (Verteilungsräume) unterteilt, die kinetisch als einheitlich betrachtet werden und in denen von einer gleichmäßigen Verteilung einer Substanz ausgegangen wird, z.B. Blut, Gastrointestinaltrakt oder bestimmte Gewebe (KIETZMANN 1983). Je nach Applikationsart, Verteilungsverhalten, Metabolisierungs- und Eliminatonsverhalten können Ein- oder Mehrkompartimentsysteme angewendet werden (KIETZMANN 1983).
Erfolgt der Übergang einer Substanz von einem Kompartiment in ein anderes konzentrationsabhängig, so wird pro Zeiteinheit ein konstanter prozentualer Anteil der Substanzmenge überführt. Hierbei bleibt die Zeitspanne, in der die Konzentration jeweils um die Hälfte abnimmt oder sich verdoppelt, gleich. Diese Zeit wird als Halbwertzeit (HWZ) bezeichnet (KIETZMANN 1983). Wird die exponentielle Abnahme der Stoffkonzentration im Verhältnis zur Zeit halblogarithmisch dargestellt, so ergibt sich ein linearer Kurvenverlauf.
Die Steigung der erhaltenen Gerade entspricht der Geschwindigkeitskonstanten der Elimination, aus der die Plasma-HWZ berechnet werden kann. Der Verlauf einer solchen Konzentrationskurve wird als Kinetik 1. Ordnung bezeichnet (KIETZMANN 1983).
In Fällen von Sättigungserscheinungen gehorcht die Pharmakokinetik einer Kinetik 0.
Ordnung, bei der pro Zeiteinheit ein konstanter Anteil der Substanzmenge von einem zum anderen Kompartiment transportiert wird. Die Abnahme der Stoffkonzentration stellt sich bereits bei linearer Darstellung als Gerade dar (KIETZMANN 1983, FORTH et al. 1996).
2.6.1. Einkompartiment-Modell – Kinetik nach einmaliger intravenöser (i.v.) Injektion
Hierbei wird angenommen, dass sich eine Substanz nach intravenöser Applikation im Körper als in einem einzigen Kompartiment gleichmäßig verteilt. Folgt die Elimination dabei einer Kinetik 1. Ordnung, so gehorcht die Konzentration folgender Funktion:
C = C0 e-ke t [1] ln C = ln C0 – ke t [2]
C0 = Plasmakonzentration zum Zeitpunkt 0, unmittelbar nach der Injektion ke = Eliminationsgeschwindigkeitskonstante
t = Zeit
Die graphische Darstellung von Gleichung [1], in der die Konzentration gegen die Zeit aufgetragen wird, ergibt eine Exponentialkurve (s. Abb. 1.1). Diese Exponentialkurve kann durch Logarithmieren in die Form einer Geradengleichung [2] transponiert werden (s. Abb.
1.2), wobei die Eliminationskonstante der Steigung der Geraden der logarithmischen Funktion entspricht (MUTSCHLER 1991).
Abb. 1.1: exponentielle Darstellung des Abb. 1.2: halblogarithmische Darstellung des Konzentrations-Zeit-Verhältnisses Konzentrations-Zeit-Verhältnisses Die Eliminationshalbwertzeit (Plasma-HWZ, t1/2) ist die Zeit, in der die Plasmakonzentration um die Hälfte des ursprünglichen Wertes abfällt. Sie ist nach folgender Gleichung zu errechnen:
t1/2 = ke
2
ln [3]
Die HWZ ist ein wichtiger pharmakokinetischer Parameter. Sie liefert die Grundlage für die Dosierungsberechnung und Dosierungsintervallen bei wiederholten Arzneimittelgaben (MUTSCHLER 1991). Mit Kenntnis der HWZ kann ungefähr die Zeitspanne abgeschätzt werden, innerhalb der eine Substanz ausgeschieden ist und bei einer Wettkampfteilnahme nicht zu einem positiven Dopingergebnis führen sollte. Nach TOBIN und WOODS (1989) soll theoretisch nach der ersten HWZ 50% einer Dosis und innerhalb der zweiten HWZ 75%
einer Dosis ausgeschieden sein. Zur völligen Clearance benötigt das Pferd ca. 70 Eliminationshalbwertzeiten (KLAUS und HAPKE 1994).
2.6.2. Zweikompartiment-Modell – Kinetik nach i.v. Injektion
Bei einem Zweikompartiment-Modell wird angenommen, dass sich das Pharmakon nach der Applikation zunächst gleichmäßig in einem zentralen Kompartiment (Plasma oder gut durchblutete Organe) verteilt, und von dort in das periphere Kompartiment (schlechter durchblutete Gewebe, wie z.B. Muskulatur, Fettgewebe) übergeht. Die Elimination findet nach Rücktransfer der Substanz in das zentrale Kompartiment ausschließlich aus diesem statt.
Charakteristisch für die Kinetik nach einer i.v. Injektion, die mit dem Zweikompartiment-Modell beschrieben werden soll, ist, dass bei halblogarithmischer Darstellung die Plasmakonzentrationswerte zunächst rasch abfallen und anschließend auf einer weniger steil verlaufenden Geraden liegen (MUTSCHLER 1991).
Abbildung 2 und die Gleichung [4] beschreiben die Blutspiegelkonzentration (C) im Zweikompartiment-Modell:
C = C1 e- 1 t + C2 e- z t [4]
Abb. 2: lineare (linke Abb.) und halblogarithmische (rechte Abb.) Darstellung der Plasmakonzentration (C) nach einmaliger intravenöser Applikation eines Pharmakons als Funktion der Zeit (t) im Zweikompartiment-Modell
Nach Abbildung 2 sind 1 und z sogenannte Hybridkonstanten, d.h., sie gehen sowohl – daher die Bezeichnung – auf Verteilungs- als auch auf Eliminationsprozesse ein; 1
charakterisiert vorwiegend die Geschwindigkeit der Verteilung und Elimination und z
vorwiegend die Geschwindigkeit der Elimination nach Erreichen sogenannter Steady-State-Bedingungen. Durch Einsetzen der Eliminationskonstanten z in Gleichung [4] kann die terminale HWZ errechnet werden. Extrapoliert man die durch z beschriebene Gerade auf die Ordinate, so stellt der Schnittpunkt die Konzentration C2 nach Erreichen des Verteilungsgleichgewichtes dar. Die initiale Phase der Verteilung und die beginnende Ausscheidung werden durch den Schnittpunkt der Geraden mit der Steigung 1 und der Ordinate durch die Konzentration C1 in Abb. 2 dargestellt. Addiert man die Konzentrationen C1 und C2 erhält man die fiktive Anfangskonzentration C0 im Plasma (Konzentration im zentralen Kompartiment) unmittelbar nach intravenöser Applikation.
Von DERENDORF et al. (2002) wird ein Dreikompartiment-Model beschrieben. Hierbei wird zusätzlich ein „ tiefes“ Kompartiment angenommen, wenn der Substanzaustausch zwischen einem peripheren und zentralen Kompartiment sehr lange dauert. Bei einem „ flachen“
Kompartiment stellt sich hingegen schnell ein Verteilungsgleichgewicht mit dem zentralen Kompartiment ein.
Die pharmakokinetischen Kompartimente entsprechen in den meisten Fällen nicht einem anatomisch definierten Verteilungsraum im Organismus, sondern stellen zumeist fiktive Größen dar. Demzufolge wurde versucht, physiologisch realistischere kinetische Modelle, sogenannte physiologische pharmakokinetische Modelle, zu entwickeln. Bei diesen wurden
anatomische, physiologische und physikochemische Parameter deutlicher berücksichtigt. Ein solches Modell besteht aus einer Reihe hinter- oder nebeneinander geschalteter Kompartimente (Organe, Körperregionen), die reine Verteilungsräume darstellen oder zusätzlich eleminierende Funktion aufweisen können. Hierbei wird der Konzentrations-Zeit-Verlauf in den einzelnen Organen in erster Linie durch den sie versorgenden Blutfluss und die jeweilige Exkretionsrate bestimmt (MUTSCHLER 1991).
2.6.3. Bioverfügbarkeit
Geschwindigkeit und Ausmaß, womit ein Wirkstoff aus einer Arzneiform freigesetzt, resorbiert und am Wirkort verfügbar wird, wird als Bioverfügbarkeit (F) bezeichnet. Da die Bioverfügbarkeit in den meisten Fällen am Wirkort nicht bestimmt werden kann, wird sie aus im Plasma oder Urin gemessenen Konzentrationen ermittelt. Bei intravenöser Applikation ist die Bioverfügbarkeit mit 100% anzunehmen. Wird ein Arzneimittel extravasal (z.B. peroral (p.o.), intramuskulär (i.m.), subkutan (s.c.)) verabreicht, müssen Faktoren, die die Bioverfügbarkeit beeinflussen berücksichtigt werden. Dazu zählen beispielsweise Geschwindigkeit der Wirkstofffreisetzung aus der galenischen Zubereitung, die Resorptionsgeschwindigkeit und die Resorptionsquote des freigesetzten Wirkstoffs sowie das Ausmaß des sogenannten First-pass-Effekts. In welchem Ausmaß ein Wirkstoff aus dem Gastrointestinaltrakt resorbiert wird, ist von seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften, der intestinalen Durchblutung, der Größe der Resorptionsoberfläche des Darmes, der Darmenzymaktivität oder der Interaktion mit anderen die Resorption beeinflussenden Substanzen abhängig (BENET et al. 1996). Bevor ein durch die Magen- und Dünndarmschleimhaut resorbierter Wirkstoff das Herz und somit Lungen- und Körperkreislauf erreicht, gelangt er über die Pfortader in die Leber. Der First-pass-Effekt bestimmt den Wirkstoffanteil, der bei dieser ersten Passage metabolisiert oder von der Leber zurückgehalten wird. Folglich ist die Bioverfügbarkeit nach extravasaler Applikation geringer als 100% (MUTSCHLER 1991). Praktisch bestimmt man die Bioverfügbarkeit, indem ein Wirkstoff zunächst i.v. appliziert wird, um die volle Bioverfügbarkeit zu erhalten. Die gleiche Dosis dieses Wirkstoffes wird dann extravasal, z.B. oral appliziert. Nach Berechnung der Flächen unter beiden Plasma-Konzentrations-Zeit-Kurven (Area under the curve – AUC), die ein Maß für die Konzentration im Organismus darstellen, kann die Bioverfügbarkeit nach folgender Gleichung berechnet werden:
F = 100[%]
AUCx = Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve bei extravasaler, z.B. oraler Applikationsweise
AUCi.v. = Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve nach i.v. Injektion
Die AUC kann nach Gleichung [6] wie folgt berechnet werden, indem die in die Blutbahn gelangte Substanzmenge (M) durch die totale Clearance (Cl) (siehe 2.6.5) dividiert wird:
AUC = Cl
M [µg/ml*h] [6]
2.6.4. Verteilungsvolumen
Das Verteilungsvolumen ( Vd ) gibt an, in welchem Volumen sich eine Substanz bei einer gemessenen Konzentration verteilen würde (scheinbares Verteilungsvolumen) (GLADTKE und VON HATTINGBERG 1977). Unter Annahme eines Einkompartiment-Modells (bei Kinetik 1. Ordnung), bei dem sich der gesamte Organismus wie ein Verteilungsraum verhält, entspricht es bei rascher intravenöser Injektion dem Quotienten aus der applizierten Wirkstoffmenge (D) [g] und der initialen Anfangskonzentration (C0) [g/l] (MUTSCHLER
Allgemein ist es aufgrund der Speziesvielfalt günstiger, ein relatives Verteilungsvolumen (V`d) zu erheben. Dieses berechnet sich entsprechend der Gleichung [7] mit dem Unterschied, dass die Dosierung in mg/kg KGW und demzufolge V`d in l/kg angegeben wird (FREY 2002).
Das Verteilungsvolumen kann identisch sein mit dem Plasmavolumen, der extrazellulären Flüssigkeit oder dem Gasamtkörperwasser. Es kann aber auch vielfach größer sein als das Gesamtvolumen des Körpers, wenn eine Substanz sich in einem bestimmten Gewebe anreichert (KIETZMANN 1983). Somit ist das Verteilungsvolumen initial nach intravenöser
Applikation gering, da sich die gesamte Substanzmenge in der Blutbahn befindet. Es vergrößert sich mit zunehmender Verteilung in die verschiedenen Gewebe (MUTSCHLER 1991). Demzufolge stellt es einen Proportionalitätsfaktor zwischen der applizierten Wirkstoffmenge (D) und der Plasmakonzentration (C) dar (FICHTL 2001). Desweiteren verteilt sich eine intravenös verabreichte Substanz aus der Blutbahn in die Gewebe. Nach Abschluss der Verteilungsphase stellt sich ein Konzentrationsgleichgewicht zwischen Plasma und Gewebe ein, das als Verteilungsvolumen im Steady State (Vss) bezeichnet wird. Das Verteilungsvolumen im Steady Stae ist höher als das Verteilungsvolumen der Initialphase, da sich nur noch ein geringer Teil der Substanz im Plasma (zentrales Kompartiment) und ein größerer Teil in den Geweben (peripheres Kompartiment) befindet. Das Verteilungsvolumen im Steady State (Vss) wird entsprechend Gleichung [8] berechnet. kcp und kpc stellen dabei sogenannte Transferkonstanten zwischen dem zentralen und dem peripheren Kompartiment dar.
Vss = +
pc cp
k
1 k * Vc [l/kg] [8]
Durch Verteilung der Substanz in ein peripheres Kompartiment, kommt es im zentralen Kompartiment zur Abnahme der Konzentration, wodurch sich ein Konzentrationsgradient zwischen beiden Verteilungsräumen bildet. Folglich diffundiert die Substanz aus dem peripheren in den zentralen Verteilungsraum, wobei es zu einem linearen Konzentrationsabfall im peripheren Kompartiment kommt, der wiederum durch die Hybridkonstante der Elimination ( ) dargestellt wird. Dieser Zustand wird als sogenannter Pseudo-Steady-State bezeichnet. Das entsprechende Verteilungsvolumen in der Eliminationsphase (Vd ) wird nach Gleichung [9], in der CL der Clearance entspricht, wie folgt berechnet (DERENDORF et al. 2002):
Vd = β
CL [l/kg] [9]
2.6.5. Clearance
Die Ausscheidung eines Pharmakons und/oder seiner Metaboliten führt zu einer Konzentrationsabnahme des Wirkstoffes im Organismus. Vorgegeben durch die physikalisch-chemischen Eigenschaften (Molekulargewicht, pKa-Wert, Löslichkeit, Dampfdruck) der zu eliminierenden Substanz, erfolgt die Ausscheidung renal (mit dem Urin), biliär und intestinal (mit den Fäzes) oder pulmonal (mit der Atemluft). Bei laktierenden Tieren kann die Substanz zudem mit der Milch ausgeschieden werden (MUTSCHLER 1991). Weitere Ausscheidungswege, wie z.B. über die Haut, Einbau in Haaren, Schweiß oder Speichel sind quantitativ meist zu vernachlässigen (BENET et al. 1996).
Die Clearance (CL) bezeichnet das Plasmavolumen, das pro Zeiteinheit von einem Pharmakon befreit wird. Sie wird entsprechend der Gleichung [10] bestimmt durch den Quotienten der Dosis und der Fläche unter der Kurve (MUTSCHLER 1991):
CL = AUC
D [10]
Da zumeist mehrere Organe an der Elimination eines Pharmakons aus dem Organismus beteiligt sind, setzt sich die totale Körperclearance (CLT) aus mehreren Clearances zusammen. Die wichtigsten sind die hepatische (CLH) und die renale Clearance (CLR).
CLT = CLR + CLH + CLX [11]
CLX = weitere Clearances
Die Organclearance stellt das Produkt der Organdurchblutung (Q) und dem Extraktionsquotienten (E) dar:
CLOrgan = Q E [12]
Der Extraktionsquotient (E) kann wie folgt bestimmt werden:
E = (Carteriell – Cvenös)/Carteriell [13]
Demnach ergibt sich für die hepatische Clearance:
CLH = QH EH [14]
Da vor allem lipophile Substanzen nur sehr langsam oder kaum renal ausgeschieden werden, werden sie im Organismus durch verschiedene Enzymsysteme in hydrophilere, leichter ausscheidbare Stoffe metabolisiert. Diese Umwandlungsprozesse von Fremdstoffen werden als Biotransformation bezeichnet; sie laufen hauptsächlich in der Leber ab. In sogenannten Phase-I-Reaktionen werden Wirkstoffmoleküle enzymatisch (oxidativ, reduktiv oder hydrolytisch) verändert. Bei den Phase-II-Reaktionen erfolgt eine Konjugation (Kopplung) des Wirkstoffmoleküls bzw. eines durch Phase-I-Reaktion entstandenen Metaboliten an eine körpereigene Substanz (z.B. Glucuron-, Essig- oder Schwefelsäure, Aminosäuren) (MUTSCHLER 1991). Die Konjugationsprodukte können aufgrund ihrer Hydrophilie schneller ausgeschieden werden (FREY 2002). Die hepatische Clearance wird durch das Maß der Metabolisierung und der biliären Sekretion bestimmt (SAMS 1996).
Die renale Clearance (CLR) ist der Anteil des renalen Plasmaflusses, der pro Zeiteinheit von einem Wirkstoff befreit wird (MUTSCHLER 1991). Sie ist abhängig von der Konzentration des Pharmakons im Plasma (CP) und im Urin (CU) sowie vom Umfang der Harnbildung (urine flow rate) und wird nach folgender Gleichung bestimmt (SCHOENE 1996):
CLR = (CU urine flow rate)/CP [ml/min] [15]
Theoretisch besteht nach dieser Gleichung eine Proportionalität zwischen der Wirkstoffkonzentration im Plasma und Urin bei konstanter renaler Clearance und konstanter Flussrate des Urins. Praktisch werden bei Blasenentleerungen nicht immer konstant gleiche Mengen Urin abgesetzt, so dass unterschiedliche Urinkonzentrationen in der Blase
„ gespeichert“ werden (SAMS 1996, TOBIN et al. 1999). Daher ist ein Rückschluß von der Urinkonzentration auf die Plasmakonzentration oft ungenau. Zudem ist das Ausmaß der renalen Elimination oft Schwankungen, beispielsweise bedingt durch Veränderung der Nierendurchblutung, des pH-Wertes und gegebenenfalls nach Diuretikaverabreichung, unterlegen. Der physiologische pH-Wert liegt beim Pferd im Stand der Ruhe im leicht alkalischen Bereich von pH 7 bis 8 (SCHOENE 1996). Der Urin-pH-Wert ist von verschiedenen Faktoren, wie z.B. der Ernährung oder intensiver körperlicher Anstrengung
abhängig (UNGEMACH und NÜRNBERGER 1999). Nach MOOS und HAYWOOD (1973) produzieren im Training stehende Vollblutpferde eher einen sauren Harn, der durch vermehrte Bildung und Ausscheidung saurer Stoffwechselendprodukte bedingt ist. Über einen Zeitraum von 1 bis 1,5 Stunden nach intensivem Training soll es nach GERKEN et al. (1991) zu einem pH-Wertabfall um ein bis drei Einheiten kommen. Zahlreiche Arzneimittel sind schwache Säuren oder Basen, deren Ionisierungsgrad pH-abhängig ist (FREY 2002). Je niedriger der Urin-pH-Wert ist, um so langsamer werden „ saure“ Arzneimittel ausgeschieden, während
„ basische“ Arzneimittel dann vermehrt ionisiert vorliegen, nicht rückresorbiert und somit schneller ausgeschieden werden (UNGEMACH und NÜRNBERGER 1999, FREY 2002, MUTSCHLER 1991, SCHOENE 1996). Nach körperlicher Anstrengung kommt es physiologisch zu einer kurzzeitig gesteigerten Diurese. Die Ausscheidung von normalerweise stark rückresorbierter Pharmaka steigt, was aber bei gleichzeitig vermehrter Flüssigkeitsausscheidung keine Konzentrationsänderung dieser Substanzen im Urin bewirkt.
Normalerweise nicht tubulär rückresorbierten Pharmaka sind aufgrund einer leistungsinduzierten Diurese vorübergehend verringert im Urin vorhanden. Damit ergibt sich für „ saure“ Arzneimittel eine eventuelle Verdeckung eines positiven Dopingbefundes, da Dopingproben gewöhnlich unmittelbar nach dem Wettkampf gewonnen werden (SCHOENE 1996).