Carboxylsyreholdige lægemidler metaboliseres til reaktive acylglucuronid-metabolitter, der kan indgå i potentielt toksiske reaktioner med proteiner i plasma og lever. Hvert fjerde lægemiddel, der trækkes fra markedet indeholder en carboxylsyregruppe.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 9, 2014 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Rune Nygaard Monrad, Novozymes A/S
Lægemidler indeholdende en carboxylsyre er nogle af de hyppigst anvendte lægemidler på markedet. Denne gruppe af lægemidler, som typisk er gigtpræparater (NSAID-præparater, non-steroidal anti-inflammatory drugs) til behandling af smerte og betændelse [1] omfatter blandt andet Magnyl (acetylsalicylsyre), Ipren (ibuprofen) og Voltaren (diclofenac).
Metabolisme af carboxylsyreholdige lægemidler
Metabolismen af carboxylsyreholdige lægemidler foregår i leveren, hvor de primært metaboliseres til deres 1-β-O-acylglucuronider [2] (AG), figur 1.
Denne proces, der finder sted i løbet af fase II-metabolismen, sker typisk for at øge vandopløseligheden af det indtagne lægemiddel, hvorefter det kan udskilles via nyrerne. I modsætning til lægemidler, der ikke indeholder en carboxylsyre, er metabolitterne af carboxylsyreholdige lægemidler aktiverede (pga. kobling til glucuronsyre) og kan indgå i potentielt toksiske reaktioner med kroppens biomakromolekyler såsom proteiner i lever og blodbane (plasma).
Reaktivitet af acylglucuronider
Acylglucuronider kan reagere med aminogrupper i f.eks. aminosyren lysin i proteiner på to forskellige måder: Transacylering, hvorved selve lægemidlet bindes kovalent til proteinet, og glycosylering, hvorved både lægemiddel og glucuronsyre bindes kovalent til proteinet [3,4] (sidstnævnte kaldes også glykering), figur 2. Begge typer af reaktivitet forårsager irreversibel modifikation af proteiner.
Omkring hvert fjerde lægemiddel, der trækkes tilbage fra markedet pga. alvorlige bivirkninger, indeholder en carboxylsyregruppe, og man kan spekulere på, om den øgede reaktivitet af acylglucuronid-metabolitter er ansvarlig for den observerede toksicitet af visse carboxylsyreholdige lægemidler [5-8]. På nuværende tidspunkt er der ikke påvist en direkte sammenhæng mellem reaktivitet af NSAID-metabolitter med biomakromolekyler og f.eks. levertoksicitet af NSAID-præparater, men ibufenac, der blev trukket tilbage fra det britiske marked i 1968 pga. alvorlig leverskade [9,10] metaboliseres til en stærkt reaktiv acylglucuronid-metabolit, struktur 1, figur 3, i netop leveren [11].
Struktur-aktivitetssammenhænge
I et nyligt publiceret studie er det vist, at metabolitter af ibuprofen og andre carboxylsyreholdige analoger af ibuprofen, figur 3, reagerer forskelligt afhængig af deres struktur [11]. Ved inkubering af human serum albumin (HSA) med forskellige koncentrationer af acylglucuronider kunne der ved direkte MS-analyse detekteres forskellige koblingsprodukter mellem acylglucuronider og protein. Både transacylering og glycosylering af HSA, figur 2, blev observeret, hvilket er illustreret i det kombinerede massespektrum i figur 4 samt tabel 1. Det bør dog nævnes, at disse typer af proteinmodifikation primært observeres ved høje koncentrationer af disse lægemiddel-metabolitter (0.5 og 5.0 mM) [12].
Som det ses, er acylglucuronider af lægemidler uden substitution i α-positionen mere reaktive end lægemidler med substitution i α-positionen [11]. Det betyder, at carboxylsyreholdige lægemidler uden en substituent i α-positionen til carboxylsyregruppen har en større tilbøjelighed til at indgå i reaktioner med humane proteiner. Dermed udgør de en øget risiko for at inducere toksicitet under metabolisme. Samtidig er det tydeligt, at jo mere sterisk hindring der er i α-positionen til carboxylsyregruppen, jo mindre reaktive er de tilsvarende metabolitter. Det betyder, at eventuel fremtidig udvikling af carboxylsyreholdige lægemidler bør fokusere på at introducere mest mulig sterisk hindring ved siden af carboxylsyregruppen, hvis lægemidlets aktivitet i øvrigt kan bibeholdes ved dette. Udover forskelle i reaktivitet blev det også observeret, at præferencen for henholdsvis transacylering og glycosylering ændrer sig som følge af graden af α-substitution. Metabolitter af lægemidler uden α-substitution har en præference for transacylering, mens lægemidler med en højere grad af substitution i stigende grad foretrækker glycosyleringsruten [11]. Denne forskel i reaktivitet kan forklares ved, at øget α-substitution udgør en sterisk hindring og dermed begrænser direkte reaktion med nukleofiler via transacyleringsruten, mens isomerisering af acylgruppen til en anden position på glucuronsyre ikke påvirkes i samme grad. Det medfører, at glycosylering er den primære reaktivitet af metabolitter af carboxylsyreholdige lægemidler med en høj grad af α-subsitution. I modsætning til alkyl acylglucuronider, struktur 1-4 i figur 3, der udviser begge typer af reaktivitet (transacylering og glycosylering) reagerer aryl acylglucuronider (struktur afledt af benzoesyre, ej vist) udelukkende via glycosyleringsruten [11]. Det lader til, at aryl acylglucuronider er betydeligt mere reaktive end alkyl acylglucuronider og dermed kan have en øget risiko for at inducere en toksisk reaktion i kroppen under metabolisme.
Konklusion
De her diskuterede forskelle i reaktiviteten af metabolitter af forskellige carboxylsyreholdige lægemidler giver en mulig forklaring på nogle af de hidtidige kliniske observationer af bivirkninger for carboxylsyreholdige lægemidler. Det er bemærkelsesværdigt, at ibufenac blev trukket tilbage fra markedet for snart 50 år siden, mens ibuprofen stadig anvendes i vid udstrækning. Det illustrerer, at forskellene mellem succesfulde og toksiske lægemidler er hårfine, og de her præsenterede forskelle i reaktivitet er derfor værd at være opmærksomme på ved udvikling af nye lægemidler.
Idet carboxylsyreholdige lægemidler hovedsageligt metaboliseres til reaktive og potentielt toksiske acylglucuronid-metabolitter i kroppen, bør der generelt udvises varsomhed i forbindelse med udvikling af lægemidler, der indeholder carboxylsyregrupper.
Taksigelse
Forfatteren ønsker at takke Kemisk Forening for økonomisk støtte i forbindelse med forskningsophold ved Oxford Universitet.
Noter og referencer
1. NSAID-præparater anvendes desuden også i behandlingen af bl.a. hjerte-kar-sygdomme og cystisk fibrose.
2. H. Spahn-Langguth and L. Z. Benet, Drug Metab. Rev., 1992, 24, 5.
3. A. V. Stachulski, J. R. Harding, J. C. Lindon, J. L. Maggs, B. K. Park and I. D. Wilson, J. Med. Chem., 2006, 49, 6931.
4. C. Skonberg, J. Olsen, K. G. Madsen, S. H. Hansen and M. P. Grillo, Expert Opin. Drug Metab. Toxicol., 2008, 4, 425.
5. O. M. Bakke, M. Manocchia, F. de Abajo, K. I. Kaitin and L. Lasagna, Clin. Pharmacol. Ther., 1995, 58, 108.
6. P. Zia-Amirhosseini, H. Spahn-Langguth and L. Z. Benet, Adv. Pharmacol., 1994, 27, 385.
7. H. Spahn-Langguth, M. Dahms and A. Hermening, Adv. Exp. Med. Biol., 1996, 387, 313.
8. US FDA, Guidance for Industry: Safety testing of Drug metabolites, Center for Drug Evaluation and Research, Rockville, MD, USA, 2008.
9. A. Herxheimer, Drug. Ther. Bull., 1968, 6, 48.
10. L. Goldkind and L. Laine, Pharmacoepidemiol. Drug Saf., 2006, 15, 213.
11. R. N. Monrad, J. C. Errey, C. S. Barry, M. Iqbal, X. Meng, L. Iddon, J. A. Perrie, J. R. Harding, I. D. Wilson, A. V. Stachulski, B. G. Davis, Chem. Sci., 2014, DOI: 10.1039/c4sc01329h.
12. 0.5 mM acylglucuronid svarer til den peak plasma koncentration af ibuprofen, der opnås ved behandling af patienter med kronisk cystisk fibrose: M. W. Konstan, P. J. Byard, C. L. Hoppel and P. B. Davis, N. Engl. J. Med., 1995, 332, 848.