Coffein ist ein 1,3,7–Trimethylxanthin mit der Summenformel C8H10N4O2 (MERCK INDEX, 2001). Das Molekulargewicht dieses Purinderivates beträgt 194,19 g/mol und der Schmelzpunkt liegt bei 298 ºC (MERCK INDEX, 2001). Es handelt sich um eine geruchlose, weiße Substanz in kristalliner Form, die mit einem pKb von 14,15 eine schwache Base darstellt. Bei Raumtemperatur löst sich 1 g Coffein in 46 ml Wasser, in 5,5 ml Chloroform, in 530 ml Ether und in 100 ml Benzol. Die Löslichkeit in Wasser wird durch die Komplexbildung mit beispielsweise alkalischen Benzoaten oder aber Citraten und Salicylaten erhöht. So werden für die Lösung des sauren Coffeincitrats 1 Teil Coffeincitrat und 4 Teile Wasser benötigt (MERCK INDEX, 2001). Eine wässerige Coffeinlösung weist im ultravioletten Licht laut ARNAUD (1987) ein Absorptionsmaximum von 272 nm auf.
4.2 Pharmakokinetik
4.2.1 Resorption
Die Resorption von oral appliziertem Coffein aus dem Gastrointestinaltrakt erfolgt beim
eingenommen wird, sei es in Form von Getränken, Schokolade oder Tabletten, scheint keine Rolle zu spielen (SINCLAIR u. GEIGER, 2000). FREDHOLM (1995) berichtete jedoch von einer geringeren Resorptionsrate beim Menschen nach Aufnahme von Coffein in Form von Kaffee. Nach oraler Einnahme von Coffein werden maximale Plasmakonzentrationen nach 15 bis 120 Minuten erreicht (SINCLAIR u. GEIGER, 2000; BONATI et al., 1982).
Bei Hunden zeigt die Aufnahme von Coffein in Form von Kaffee eine gute Bioverfügbarkeit (62 ± 28 %), während die Resorption von Coffein aus Tee mit 26 ± 12 % deutlich geringer ist (LOEFFLER et al., 2000). Nach oraler Applikation von Coffein als Arzneimittelform konnte LOEFFLER (2000) eine 93 % Bioverfügbarkeit bei Beagles feststellen. Auch bei Windhunden konnte eine nahezu vollständige Resorption von Coffein als Arzneimittel aus dem Magen-Darm-Trakt beobachtet werden (CLIFFORD, 1987). Maximale Plasmakonzentrationen treten beim Hund nach durchschnittlich 1,5 Stunden auf (LOEFFLER, 2000).
Bei Ratten zeigt sich sowohl nach oraler als auch nach intraperitonealer Applikation von Coffein eine 100 %ige Resorption (ARNOUD, 1985; WANG, 1998). Maximale Plasmakonzentrationen werden bereits nach 5 Minuten erreicht (WANG, 1998).
Beim Pferd hingegen wird oral verabreichtes Coffein langsamer resorbiert und die Bioverfügbarkeit beträgt lediglich 39 % (GREEN et al., 1983). Maximale Plasmakonzentrationen sind nach 30 bis 120 Minuten zu beobachten (MOSS et al., 1979; TSE u. VALIA, 1981; GREEN et al., 1983; TODI et al., 1999). COLAHAN et al. (2002) berichteten von 10 Minuten bis vier Stunden.
4.2.2 Verteilung
Aufgrund seiner ausreichend hydrophoben Eigenschaften verteilt sich Coffein im gesamten Körper. Daher ist es sowohl beim Menschen als auch beim Tier in allen Körperflüssigkeiten nachweisbar, wobei das Verteilungsvolumen von Coffein mit 0,4 bis 0,6 l/kg für eine nahezu vollständige Verteilung im Körper spricht (RALL, 1991).
Die Proteinbindung von Coffein im Pferdeplasma beträgt je nach Literaturangabe zwischen 2 und 17 % (KELLY u. LAMBERT, 1978; GREEN et al., 1983; CHOU et al., 2001).
Coffein passiert alle biologischen Membranen (ARNOUD, 1993). Untersuchungen der Passage von Coffein durch die Blut-Hirnschranke zeigten ein Verhältnis der Coffeinkonzentrationen zwischen Gehirn und Plasma von 0,8 (McCALL et al., 1982).
STÅHLE et al. (1991) fanden zudem heraus, dass die Penetration von Coffein ins Gehirn im
Vergleich zu Theophyllin wesentlich höher ist. Die Passage der Plazentarschranke aber auch das Vorhandensein von Coffein in der Milch führt bei Föten sowie neugeborenen Kindern im Vergleich zu Adulten zu erhöhten Coffeinspiegeln (KHANNA et al., 1984; IKEDA et al., 1982). Außerdem ist Coffein sowohl in den Gonaden als auch im Samen nachweisbar, wobei sich laut BEACH et al. (1984) gleiche Coffeinspiegel wie im Plasma ergeben. In Speichel und in Schweiß findet ebenfalls eine Coffeinverteilung statt. KOVACS et al. (1998) fanden heraus, dass der Gehalt an Coffein im menschlichen Schweiß sogar die Coffeinkonzentration im Urin nach körperlicher Beanspruchung übersteigt.
Auch die Coffeinmetaboliten Theobromin, Theophyllin und Paraxanthin werden in den Körperflüssigkeiten detektiert. Während beim Menschen der prozentuale Anteil von Paraxanthin im Verhältnis zu den beiden anderen Metaboliten um das zehnfache höher ist (ARNOUD, 1993), zeigen sich bei den Tierarten unterschiedliche Charakteristika. Während die drei Metaboliten bei Mäusen in ähnlicher Konzentration im Plasma vorzufinden sind (BONATI u. GARATTINI, 1984), zeigt sich beim Affen eine Verschiebung zu Gunsten des Theophyllins (GILBERT et al., 1986). Im Pferdeplasma ist Theophyllin der Hauptmetabolit und weist eine um das zwei bis dreifache höhere Konzentration als Theobromin auf (CHOU et al., 2001; PECK et al., 1997).
4.2.3 Elimination
Metabolismus
Der Metabolismus der Methylxanthine findet hauptsächlich in der Leber statt und ist durch oxidative Stickstoff-Demethylierung, Kohlenstoff-Oxidation und Acetylierung gekennzeichnet. Diese chemischen Umwandlungsprozesse erfolgen alle, bis auf die Oxidation am [C8]-Atom, in den Lebermikrosomen. Dabei ist der Metabolismus der Phase 1-Reaktion Cytochrom P-450 abhängig.
Der Hauptmetabolisierungsweg des Trimethylxanthins ist charakterisiert durch die Abspaltung einer der Methylgruppen vom Xanthinring an Position 1, 3 und 7, so dass Theobromin (3,7-Dimethylxanthin), Theophyllin (1,3-Dimethylxanthin) und Paraxanthin (1,7-Dimethylxanthin) entstehen. Im weiteren Verlauf können diese Dimethylxanthine zu Monomethylxanthinen, Methylharnsäuren und Uracilen metabolisiert werden. In Abbildung 2 sind die einzelnen Metabolisierungsschritte aufgeführt.
Theobromin Theophyllin Paraxanthin
AF1MU
AF3MU
3-Methlyxantin 1-Methlyxantin 7-Methlyxantin
3,7-Dimethylharnsäure 1,3-Dimethylharnsäure 1,7-Dimethylharnsäure
DMA 3-Methylharnsäure 1-Methylharnsäure 7-Methylharnsäure
Abb. 2: Coffeinmetabolismus (nach ALY, 1981)
AF1MU = 6-Amino-5[N-Formylmethyl-Amino]-1-Methyluracil AF3MU = 6-Amino-5[N-Formylmethyl-Amino]-3-Methyluracil DMA = 3,8-(1,6)Dimethylallantoin
Der Hauptmetabolisierungsweg kann vereinfacht in folgende Schritte unterteilt werden:
1. Mittels oxidativer Demethylierung wird eine der Methylgruppen entfernt, wodurch die Dimethylxanthine Theophyllin, Theobromin und Paraxanthin gebildet werden. Eine weitere Demethylierung führt zu den Monomethylxanthinen.
2. Durch die Oxidation entsteht ein Harnsäurederivat.
3. Hydratation und Oxidation mit einer Ringspaltung bilden ein Uracilderivat.
Coffein
Eine Rückumwandlung von Theophyllin zu Coffein, wie es aus der Abbildung ersichtlich ist, wurde erstmals bei neugeborenen Kindern entdeckt, die zur Therapie von Apnoe mit Theophyllin behandelt wurden. Die erhöhte Coffeinkonzentration in diesen Kindern erklärt sich aus der Unreife der mikrosomalen Leberenzyme. In Erwachsenen konnte dieses Phänomen ebenfalls entdeckt werden und macht sogar einen Anteil von 6 % der Theophyllindosis aus (ARNOUD, 1985). TODI et al. (1999) bestätigten diesen Umwandlungsprozess auch beim Pferd, was im Rahmen der Dopingproblematik zur Unterscheidung, ob Coffein oder Theophyllin appliziert wurde, von großem Interesse ist. Eine Entstehung von Coffein aus Theobromin oder Paraxanthin mittels Methylierung ist der Literatur jedoch nicht entnehmbar.
Hauptkatalysator der oxidativen Demethylierung ist eine Isoform des Cytochroms P-450 (CYP1A2), einem Enzym, welches unter anderem für die Aktivierung einer Reihe von Promutagenen und Prokarcinogenen verantwortlich ist (GUENGERICH, 1990) und sowohl in Lebermikrosomen als auch im Gehirn und in der Niere vorkommt (SINCLAIR u. GEIGER, 2000). Neue Studien haben ergeben, dass auch andere Enzyme an der Demethylierung beteiligt sind. So entdeckten GU et al. (1991), dass eine durch Ethanol aktivierbare Isoform des Cytochroms P-450 (CYP2E1) zusätzlich die Biotransformation von Coffein zu Theophyllin und Theobromin beeinflusst. CHUNG und CHA (1997) stellten hingegen fest, dass eine Flavinmonooxygenase für die Bildung von Theophyllin und Theobromin zuständig ist.
Alle Autoren sind sich jedoch dahingehend einig, dass die N3-Demethylierung von Coffein zu Paraxanthin durch P-4501A2 erfolgt. In Abbildung 3 wird die Metabolisierung von Coffein in die drei aktiven Hauptmetaboliten durch die unterschiedlichen Isoformen Cytochrom P-4501A2 (CYP1A2), Cytochrom P-4502E1 (CYP2E1) und flavinenthaltene Monooxygenase (FMO) veranschaulicht.
Abb. 3: Umwandlung von Coffein in Theophyllin, Theobromin und Paraxanthin unter Beteiligung der Enzyme CYP1A2, CYP2E1 und FMO
Diese Metabolisierung wird zwar bei allen Säugetierarten beobachtet, variiert jedoch in Abhängigkeit von der Effizienz der einzelnen Leberenzyme, die bei den Säugetierarten in unterschiedlichen Ausmaßen aktiv sind. Unterschiede der Pharmakokinetik und des quantitativen Produktprofils sind die Folge (BONATI u. GARATTINI, 1984).
Beim Menschen ist beispielsweise die Demethylierung an N3 durch P-4501A2 vorherrschend, so dass Paraxanthin mit 84 % den größten Anteil der biologisch aktiven Metaboliten im Urin ausmacht. Theobromin kommt zu 11 % vor, gefolgt von Theophyllin mit 4 % (LELO et al., 1986). Beim Hund tritt Theobromin als Hauptmetabolit des Coffeins im Urin auf (LOEFFLER et al., 2001).
Bei Mäusen und Ratten ist die Demethylierung an N3 häufiger, so dass der Paraxanthinanteil im Urin etwas höher ausfällt (BONATI u. GARATTINI, 1984). Die Ratte ist auch das einzige Tier, welches ein Allantoinderivat bildet (ARNOUD, 1985). Beim Schaf ist Theophyllin mit 72 % der Hauptmetabolit im Urin, während es beim Rind Paraxanthin mit 76 % ist. Ein Ausscheidungsversuch von SALVADORI et al. (1994) zeigte, dass beim Pferd nach oraler Applikation von Guaraná-Pulver die Methylharnsäuren (1,3- und 1,7-Dimethylharnsäure sowie 1,3,7-Trimethylharnsäure) mit 30 % den größten Anteil am Metabolitenmuster im Urin ausmachten. Theobromin, Theophyllin und Paraxanthin folgten mit insgesamt 15 %.
Eine Reihe von Faktoren, zu denen z.B. genetische Aspekte, Alter, häufige Einnahme von Coffein, sportliche Aktivitäten, Ernährung sowie die Anwendung bestimmter anderer Substanzen zählen, beeinflussen den Metabolisierungsprozess.
Die Aktivität der N-Acetyltransferase wird beispielsweise genetisch determiniert und kann zu einem unterschiedlichen Metabolisierungsmuster führen. Juvenile Säugetiere weisen einen
Theophyllin
stark verlangsamten Abbau von Coffein auf, der auf die noch nicht vollständig entwickelte Aktivität der Leberenzyme zurückzuführen ist (BLANCHARD et al., 1985). So steigt bei Hunden der Prozentsatz der demethylierten Harnsäuren und der Uracilderivate mit zunehmendem Alter an (WARSZAWSKI et al., 1982). Häufiger Konsum von Coffein führt zu einer Induktion des Coffeinmetabolismus, der aus einer Hochregulation von Cytochrom P-4501A2 mit steigender Coffeinaffinität resultiert. Auf diese Weise steigert Coffein seine eigene Umwandlung, was zur Coffeintoleranz führen kann. Sportliches Training steigert ebenfalls die Expression von CYP1A2. Der Metabolismus von Coffein wird beim Menschen beispielsweise auch durch Rauchen und die Aufnahme von Kohl und anderen Cruziferengemüsearten angeregt (SINCLAIR u. GEIGER, 2000). Im Gegensatz dazu bewirken orale Contraceptiva beim Menschen eine Reduzierung der CYP1A2 Aktivität, was in einer Verminderung der Coffeinumwandlung resultiert. Viele Substanzen, die ebenfalls hauptsächlich in der Leber abgebaut werden, wie beispielsweise das Antidepressivum Fluvoxamin oder Alkohol, führen zu einer kompetitiven Hemmung des Coffeinmetabolismus (JEPPESEN et al., 1996; LE MARCHAND et al., 1997).
Exkretion
Die Ausscheidung von Coffein erfolgt nach einer Eliminationskinetik 1. Ordnung hauptsächlich renal, wobei der Anteil an reinem Coffein im Urin beim Menschen lediglich 0,5 bis 2 % (ARNOUD, 1993), beim Hund 1 % (CLIFFORD, 1987) und beim Pferd weniger als 4 % beträgt (SALVADORI et al., 1994). Die geringe Coffeinkonzentration im Urin resultiert zum einen aus einer nahezu vollständigen renalen tubulären Reabsorption von Coffein, zum anderen zeigt es, dass der Metabolismus einer der limitierenden Faktoren in der Plasmaclearance ist (ARNOUD, 1993). Auch eine Ausscheidung von Coffein über die Faeces wird beschrieben, wobei diese beim Menschen 2 bis 5 % und bei Ratten 8 bis 10 % beträgt (ARNOUD, 1976).
Die Pharmakokinetik von Coffein wird in der Literatur sowohl beim Menschen als auch bei verschiedenen Tierarten von einer Vielzahl von Autoren beschrieben. Zur besseren Übersicht sind einige dieser pharmakokinetischen Daten mit den entsprechenden Literaturhinweisen in Tabelle 4 aufgeführt.
Tab. 4: Pharmakokinetische Daten von Coffein nach oraler Applikation von Coffein
(1): ARNOUD, 1987, (2): ARNOUD, 1993, (3): SINCLAIR u. GEIGER, 2000, (4): BONATI et al., 1982, (5): LOEFFLER, 2000, (6): CLIFFORD, 1987, (7): ARNOUD, 1985, (8): WANG et al., 1998, (9): GREEN et al., 1983, (10): MOSS et al., 1979, (11): TSE u. VALIA, 1981, (12): COLAHAN, 2002, (13): CHOU et al., 2001, (14): PECK et al., 1979, (15): SALVADORI et al., 1994 tmax = Zeit bis Erreichen der maximalen Plasmakonzentration
t1/2 = Plasmahalbwertszeit Kaffee) kann beim Menschen neben einer Reduzierung der Müdigkeit die Verbesserung der Konzentrationsfähigkeit beobachtet werden. Zusätzlich zu diesen psychischen Effekten wirkt Coffein auf die motorischen Zentren des zentralen Nervensystems, was sich jedoch trotz der in zahlreichen Studien beschriebenen Leistungsverbesserung in einer negativen Wirkung
äußert. So wird von verminderten Reaktionszeiten und verschlechterter Muskelkoordination berichtet (COSTILL et al., 1983).
Im Verhältnis zu anderen Psychostimulantien, wie z. B. Amphetamine, sind die Effekte von Coffein allerdings eher als moderat einzustufen (BÄTTIG u. WELZL, 1993).
Dennoch kommt es bei höherer Coffeindosierung (über 15 mg/kg Körpergewicht) beim Menschen zu Schlaflosigkeit, vermehrter Nervosität und Angstzuständen. Es können fokale und generalisierte Krampfanfälle bis hin zu Herzversagen mit letalem Ausgang bei einer toxischen Dosis von 200 mg pro kg Körpergewicht auftreten (ARNOUD, 1987; SERAFIN, 1995). Die letale Dosis beim Hund beträgt laut SUTTON (1981) 110 bis 175 mg Coffein pro kg Körpergewicht und bei der Katze 80 bis 150 mg/kg Körpergewicht (FOOR u. STOWE, 1975). Beim Pferd kann die intravenöse Applikation von 10 bis 30 mg Coffein pro kg Körpergewicht bereits unspezifische Vergiftungssymptome wie Unruhe, Erregungserscheinungen bis hin zu Krämpfen, Muskelrigidität und Muskelzittern auslösen (UNGEMACH, 2003). Tachykardie und Tachyarrhythmie sind ebenfalls Effekte, die bei toxischen Dosierungen zum Tod führen können (BÄTTIG u. WELZL, 1993). Diese Wirkungen werden zwar auch durch Effekte in der Peripherie ausgelöst, resultieren aber hauptsächlich aus einer vermehrten Stimulation des Stammhirns, in dem sich die autonomen Zentren für Atmung und Kreislauf befinden (BÄTTIG u. WELZL, 1993). Der Adenosinantagonismus mit einer dopaminergen Reaktion wird für die zentralen Reaktionen verantwortlich gemacht. DALY et al. (1983) fanden heraus, dass die Bindung von Paraxanthin, Theophyllin sowie 1-Methylxanthin an die im Gehirn vorkommenden Adenosinrezeptoren höher ist als bei Coffein. Die potentere zentrale Wirkung des Coffeins im Verhältnis zu Theophyllin erklärt sich jedoch durch eine bessere Penetration von Coffein in den cerebellaren Extrazellularraum (STÅHLE et al., 1991).
Ergometrische Effekte
Beim Menschen führt die Coffeinaufnahme zu einer gesteigerten Ausdauerleistung während eines sportlichen Trainings mit submaximaler Intensität (KUROSAWA et al., 1998). Im Gegensatz dazu kommt es bei kurzen, sehr intensiven Trainingseinheiten nicht zu einer gesteigerten Muskeltätigkeit (GRAHAM u. SPRIET, 1991). GRAHAM et al. (1994) vermuteten, dass eine durch Coffein induzierte Adrenalinfreisetzung aus der Nebenniere die Lipolyse des Fettgewebes anregt, so dass die Konzentration der freien Fettsäuren steigt. Der Muskel nimmt diese als Energiequelle auf. Auf diese Weise wird Glykogen gespart, was zu
einer längeren Ausdauer bis zur Erschöpfung führt (GRAHAM et al., 1994). Die Wirkung wird in Abbildung 4 verdeutlicht.
Abb. 4: Wirkung von Coffein auf die Nebenniere (nach GRAHAM et al., 1994)
KUROSAWA et al. (1998) stellten fest, dass bei Pferden, die extremer sportlicher Anstrengung ausgesetzt sind, intramuskulär appliziertes Coffein eine leistungsfördernde Wirkung ausübt. Durch die Stimulierung des zentralen Nervensystems und der damit in Verbindung zu bringenden Erhöhung von Adrenalin und Noradrenalin kommt es zu einer gesteigerten Herz- und Atemfunktion.