Grundprinzipien des Stofftransports Flashcards
Typen von Epithelien
einschichtige:
* Platten (Blutgefäße, Lymphe)
* kubisch (Nierenkanäle, Drüsen)
* Zylinder und Bürstensaum oder Zilien (GIT, Resorptionstrakt)
mehrschichtige
* unverhornt (Mundschleimhaut, Rachen, Ösophagus, Vagina, Analregion, Außenschicht der Cornea)
* verhornt
* Epidermis
Aufgabe:
* Resorption
* Sekretion
* Schutz
* Sinnes- und Transportfunktion
Barrieren für die Arzneistoffaufnahme
Schleimhaut
* GIT: (Epithel mit Bürstensaum)
- einschichtiges Epithel
- Phospholipidmembran mit geschlossenen Zellverbindungen (tight junctions)
* Respirationstrakt: (Ziliarepithel)
- einschichtiges Epithel mit Zilien
- Pospholipidmembran wie im GIT geschlossen
* Mundschleimhaut: (nicht keratinisiertes Plattenepithel)
- vielschichtiges Epithel, größteils nicht keratinisiert
- Zellen über punktuelle Kontakte (Desmosomen) verbunden
- Lipide im Extrazellularraum
Epidermis: (keratinisiertes Plattenepithel)
* vielschichtiges Epithel, stark keratinisiert, Hornschicht
* Lipide im Extrazellularraum
* kontinuierliche Lipidschicht –> nur für lipophile Stoffe passierbar (Nikotin, Steroidhormone)
Mucus
-
Schleimschicht auf Epithelien von “Schleimhäuten”
-bis 600müm dick
-Gel (90-95% Wasser)
-von Becherzellen produziert - Mucine (Glykoproteine)
-Mr >500kDa
-zentrale Proteineinheit: bis zu 800AS (serin, prolin, threonin, cystein)
-Saccharideinheit: N-Acetylgalactosamin, N-Acetylglucosamin (60-80% Masse, Schutz des Proteins vor Proteolyse)
-Mucine über S-S Gruppen verknüpft - Funktion
-Barriere-, Schutz-, Schmierfunktion (vicoelastisch)
-Regulierung der Zelladhäsion - Anionisch
-Interaktion mit kationischen AS
-Bioadhäsion
Zellmembranen
Biomembran, Phospholipiddoppelschicht:
4-8nm, flüssig kristallin (abh von Temperatur)
Proteine (Membranproteine- peripher oder integral) schwimmen in Membran (helikal, globulär):
Glykoproteine, Glykolipide
Glykokalix (Zuckermantel): Rezeptorfunktion, Zellspezifisch, Zuckerreste: zelluläre Antennen –> Wechselwirkung mit Umgebung oder Oberflächenantigene
Aufbau der Plasmamebran= Fluid Mosaic Modell und Membranproteine
liegen entweder als periphere oder integrale Proteine vor
* periphere Proteine sind an der hydrophilen Grenzfläche der Lipidoppelschicht adsorbiert und lassen sich leicht durch Erhöhung der Ionenstärke oer Chelatbildner von der Membran ablösen (Cytochrom C)
* Integrale Proteine durchziehen die gesamte Membran, lassen sich nur mit drastischen Mitteln (Detergenzien) aus der Membran herauslösen
schwimmen in Membran, wandern: Proteinanteil 25-75%
Barrierefunktion größer bei geringem Proteinanteil
Zellverbindungen (Junctions)
Bestimmen den Widerstand für den parazellulären Transport
tight junctions (Zona occludens)
* parazelluläre Abdichtung
* Verschmelzung mit der Plasmamembran
* Hauptbarriere der parazellulären Diffusion
* verhindern die Wanderung von speziellen Proteinen auf die gegenüberliegende Seite
* bilden ein geschlossenes Band um Zellen
* in Epithelzellen relativ lose je nach Organ
* in den Gehirnkapillarendothelzellen sehr dicht
* Transmembranproteine: **Claudine =Barriere für große Moleküle, Occludin = Regulierung des leak pathways (auch für Makromoleküle)
* (Ca abhängig)
Adherent junctions
- Zellularspalt, liegt unter TJ
- Ankerproteine: Catenine, Vinculin, Actinin
Desmosomen
* Haftplatten va in mechanisch belasteten
* Epithelien (Haut, Herzmuskel)
* Keratin-, Desminfilamente
Gap junctions
* Lücke von bis zu ca 3nm, Haftstellen ohne Verschmelzung
* interzellulärer Transport von Ionen und kleinen Molekülen (bis zu 1500D)
* Kommunikation zwischen den Zellen (Ca)
Vergleich der Durchlässigkeit von Schlussleisten im GIT
- Jejunum: hoch, 0,75-0,8nm
- Ileum: mittel, 0,3-0,35nm
- Kolon: niedrig, 0,2-0,25nm
Stofftransport über Zellbarrieren im Organismus
Inter- un parazelluläre Transportprozesse:
* Diffusion durch interzelluläre Poren
* Filtration durch interzelluläre Poren
* Persorption (partikuläre Absorption) durch Lücken im Epithelverband
Transzelluläre Transportprozesse
* Lipiddiffusion (Membrandiffusion)
* carriervermittelte Transportprozesse: erleichterte Diffusion, aktiver Transport
* Ionenpaartransport
* Porentransport
Vesikuläre Transportprozesse (Endozytose)
* Pinozytose
* (Phagozytose)
* Tranzytose (Zytopempsis, Einstülpung der Zellmembran und Transport in Vesikeln)
Passive Grundprozesse
Diffusion:
* Transport von gelösten Molekülen entlang eines Konzentrationsgradienten
* Transportweg kurz
Einteilung:
* reine Diffusion innerhalb einer Phase (zB Auflösung von Zucker)
* Penetration: Diffusion in eine Phasengrenze
* Permeation: Diffusion durch eine oder mehrere Phasengrenzen
Konvektion:
* Gelösten Moleküle oder Molekülverbände in einem strömenden Medium (Blut)
* Transportweg lang
Einteilung:
* Herz-und LungenKreislaufsystem (Bluttransport)
* Filtration durch Poren (Glomerulus der Niere, Kapillarwand-poren)
Fickksches Gesetz und Parameter der passiven Diffusion
dm/dr= -DxFx (ca-ci)/d
dm/dt…Diffundierte Menge/Zeit
-dc/dd…Konzentrationsgradient
D…Diffusionskoeffizient
F…Fläche
d…Membrandicke
ca…Konz Außen
ci…Konz Innen
passive Diffusion ist ein Prozess 1. Ordnung (Exponentialfunktion)
Diffusionskoeffizient D
* abhängig von der Größe und Lipophilie der AST und Viskosität des Diffusionsmediums (Membran)
* Groß bei ausreichend hoher Lipophilie und geringer Molekülgröße
Diffusionsfläche F
* Zunahme bedeutet schnellere passive Diffusion
* vom Resorptionsorgan abhängig (zB Darmoberfläche viel größer als Magenoberfläche, daher Darmsresorption generell schneller)
Membrandicke d
* je kleiner umso schneller erfolgt die passive Diffusion
(zB in Lunge sind Membranen dünn, Resorption bei Inhalation schnell)
Konzentrationsgradient ca-ci
* Volumen im Inneren Kompartiment viel größer als im Äußeren Kompartiment –> Konzentrationsdifferenz meist groß –> die schnelle und vollständige Resorption vieler AST
Resorptionsflächen
- Mundhöhle 0,02m^2
- Magen 0,20m^2
- Dünndarm 200,0 m^2
- Colon 1,0m^2
- Rektum 0,07 m^2
- Lunge 80m^2
- Nase 0,015m^2
- Vagina 0,01m^2
- Haut 1,70m^2
Erleichterte Diffusion (Carriertransport)
- für D-Glucose haben wir einen Transporter; läuft über ein Konzentrationsgefälle
aber Glucose wäre nicht ausreichend lipophil, um Barriere zu überwinden
für L-Glucose ist diese Bindungsstelle nicht geeignet! - nur entlang eines Konzentrationsgefälles ohne Energieverbrauch;
spezifisch für zB Aminosäuren, Monosaccharide, starke org. Säuren oder Basen, B - Vitamine, Estradiol, Testosteron
aktiver Transport, Beispiel L-Dopa
primär aktiver Transport
* Molekül, Proton oder Ion wird unter Energieaufwand gegen Konzentrationsgefälle transportiert, +ATP
* Bsp L-Dopa über aktiven Transporter ins ZNS aufgenommen
sekundär aktiver Transport
* elektrochemischer Gradient wird genutzt, um Substrat gegen Konzentrationsgefälle (von einem primären Transport aufgebaut) zu transportieren (zB Symport)
L-Dopa hat Säurefunktion, wird über DopaDecarboxylase zu Dopamin
peripher und zentral; L-Dopa wird über aktiven Transporter ins ZNS aufgenommen
L-Dopa wird auch in der Peripherie abgebaut und führt zu entsprechenden Nebenwirkungen, deshalb gibt man periphere Decarboxylasehemmer wie zB Carbidopa, deshalb kein Dopamin in der Peripherie–>deutlich weniger NW
Charakteristika der Carriertransportmechanismen (proteingebundener Membrantransport)
-
Strukturspezifität
die Affinität zum Substrat ist von dessen Struktur und Konfiguration abhängig -
Hemmbarkeit
Inhibitoren können Carrier besetzen und Transport verhindern -
Sättigung des Transportsystems
bei zu hoher Substratkonzentration sind alle Carriermoleküle verbraucht, wodurch eine weitere Dosiserhöhung zu keiner weiteren Steigerung des Stofftransports mehr führt (Michaelis Menten)
spezifische Carrier vermittelte Membrantransportsysteme im Intestinum
SLC solute carrier
sekundär aktiver Transport oder erleichterte Diffusion für geladene und ungeladene org. Moleküle und/od. anorg. Ionen
Bsp.:
Aminosäuren (L-Dopa), Monosaccharide (D-Glucose), Nucleoside, wasserlösliche Vitamine, Gallensäuren
andere Transporter: ABC (ATP binding casette)- primär aktive Transportsysteme f. Efflux
Endozytotische Prozesse
Endozytose:
Aufnahme von extrazellulären Materialien in eine Zelle durch Einstülpung der Plasmamembran
Pinozytose (Zelltrinken)
* kleine Vesikel < 150nm Durchmesser
* 1) Flüssigkeitströpfchen (unspezifisch, alle Zelltypen)
* 2) adsorptiv (unspezifisch, Bindung von Makromolekülen an Membranrezeptoren vor Pinozytose)
* 3) Rezeptorvermittelt (spezifische Bindung an Membranrezeptoren)
Phagozytose (Zellfressen)
* große Vesikel >250nm Durchmesser (bis 5müm)
* nur in bestimmten Zellen (Makrophagen, RES)
* nicht relevant als Resorptionsmechanismus von AST, aber für Aufnahme von partikulären Arzneistofffreigabesystemen (Mikrosphären, Nanopartikel, Liposomen)
entweder Problem oder Möglichkeit für drug targeting
Ionenpaartransport
- Ionenpaar: Assoziat entgegengesetzt geladener Ionen
- hydrophiles Kation mit lipophilem Gegenion
- Coloumb Kräfte
- Gleichgewicht, neutrales Teilchenassoziat durchwandert Biomembran
- erklärt Absorption von einigen hydrophilen AST, die im physiologischen Milieu weitgehend ionisiert vorliegen, zB quartäre AmmoniumIonen, Sulfonsäuren
- andere Anwendungen: Ionenpaarchromatographie, Ionenpaarextraktion (LM mit geringer Dielektrizitätskonstante)
- meist stark basische, hydrophile Arzneistoffe
Resorptionsvermindernde biochemische Prozesse
Efflux Systeme (Exportproteine)
* transportieren Stoffe aktiv (ATP) aus dem Zellinneren ins umliegende Gewebe (zB ins Darmlumen, Galle, Leber, Nierentubuli, Hirnkapillaren)
* wichtigstes: p-Glykoprotein
Metabolismus
* bestimmte AST signifikant in Epithelzellen (zB Enterozyte metabolisiert)
* Cytochrom P450 3A4, häufiges Enzym
Exportproteine, p- Glykoprotein
ABC Proteinfamilie, bestitzen ATP Bindungsstelle
- MDR Proteine (p-Glycoprotein)
- MRP Proteine
p-Glykoprotein
* Membranprotein, Tumorzellresistenz gg Zytostatika, Bakterienresistenz:Antibiotika
* Sekretion von Subst in Leber und Niere, Darmlumen, Plazenta, ZNS, Gefäße
* Entgiftungsstation für viele Xenobiotika, va. lipophile und kationische Substanzen
* hemmbar durch Arznei- und HSte (AM Interaktionen)
* pGP wird vorwiegend in Organen und Geweben gebildet, die eine Trennfunktion zwischen Innen und Außen darstellen
* es geht um Elimination aus den entsprechenden Geweben
Beispiele
* Zytostatika, Antibiotika, Lipidsenker, Beta Blocker, HIV Proteasehemmer,
* Ca Antagonisten
* auch Hilfsstoffe
Abschätzung/Untersuchung der Resorption und Permeation
Bestimmung physikochemischer Eigenschaften
pKa, Lipophilie, Löslichkeit, Lösungsgeschwindigkeit, Komplexbildungsvermögen,…
Modelle mit Membranen, Zellen, Geweben:
- Film aus Phospholipiden, Liposomen, lipidgetränkte Membranen,(für Schnelltests lipidgetränkte Membranen und Membranvesikel;
- Membranvesikel) (künstliche Membranen aus Phospholipiden;
- man kann auch aus Liposomen die Verteilung des Wirkstoffes nachvollziehen)
- Zellkulturmodelle (CaCO2) (Zellkulturmodelle beliebt, passive Diffusion und funktionelle Einheiten der Zellmembran können abgeschätzt werden)
- isolierte Gewebsstücke (Haut, Schleimhaut etc.)
PAMPA Essay, Franz Diffusionszelle
(solierte Gewebsstücke für Resorptionsmodelle, Interaktionen mit Mukus)
isoliert perfundierte Organe
Organspez, pharmakokinetische Daten zB Metabolismus (Leber)
In vitro Modelle der Resorption und Permeation
-
Systeme mit Membranen
Vorteile:
-einfach
-hoher Durchsatz
-billig
Nachteile:
-passive Diffusion
-Variabilität
-Vergleich zwischen verschiedenen Labors schwieriger -
Systeme mit Zellen
Vorteile
-gut für screenings, hoher Durchsatz
-verbreitet
-Zellen mit Rezeptoren
-gute Korrelation mit in vivo
-Evaluation von Transportmechanismen, resorptionsverbessernden Strategien und Toxizität
Nachteile
-kein Mucus, nur eine Zellart
-unnatürliche Umgebung (keine Nieren, keine Blutgefäße, Hormonregulierung)
-Kulturbedingungen können Rezeptorfunktionen verändern
-Vergleichbarkeit von Daten aus verschiedenen Laboren schlecht -
Systeme mit Geweben
Vorteile
-Evaluation von Transportmechanismen und resorptionsverbessernden Strategien
-verschiedene Gewebstypen (nasal, buccal etc)
-Vergleich zw verschiedenen Spezies möglich
-Transporter un Enzyme wie in vivo
Nachteile
-limitierte Daten
-Gewebe variabel
-geringer Durchsatz
-menschliches Gewebe schwer zugänglich
PAMPA BBB Assay
- künstliche Membranen
- mit Phospholipiden zB Filler + Lecithin in Dodecan-Hexadecan
- häufig in Industrie verwendeter Assay:
- PAMPA=parallel artificial membrane permeability assay
+ hoher Durchsatz
+ pH Bereich 4-8
+ schnell
+ billig - nur passive Diffusion!
CaCO2 Modell
verbreitetstes zell-basiertes Modell **
für die Abschätzung der peroralen Resorption
Monolayer aus kultivierten Epithelzellen, die den GI Trakt stimulieren
(Dickdarmkrebszellen, CaCO = Carcinoma Colon**)
Kultur auf permeabler Membran
geschlossener Monolayer aus enterozytenähnlichen Zellen mit Bürstensaum an apikaler Seite (interzelluläre tight junctions, Transportsysteme, metabolische Mechanismen- CYP 3A4, Exportproteine)
erhaltene Daten:
Permeabilität, Resorptionsmechanismus, Geschwindigkeit, Toxizität, ArzneistoffInteraktionen bei der Resorption, intestinaler Metabolismus
Vorteile:
verfügt über Efflux Pumpen, Carrier Systeme, Phase 1 und 2 Enzyme, imitiert Barriere des GIT
Nachteile:
nicht durchblutet, nur 1 Zellart, nicht zu 100% mit Dünndarmzellen vergleichbar, keine Hormonregulation, Substanzen müssen gelöst vorliegen
Scheinbarer Permeationskoeffizient
Geschwindigkeit, mit der ein Stoff durch gewisse Fläche transportiert wird
Flux ist dM in Fickschem Diffusionsgesetz, also die diffundierte Menge
Formel siehe Skript
J= Flux, transportierte Substanzmenge, dM pro Zeiteinheit dt und Fläche
Vakz = Volumen der Akzeptorkammer
c0= Ausgangskonzentration in der Donorkammer
A= Diffusionsfläche
t= Zeit, Gesamtzeit des Experiments
Peff= effektiver P (Zellschicht)
PFilter= Permeabilitätskoeffizient des Filters (meist Polycarbonat)
Richtwerte
geringe Permeabilität: unter 2 x 10^-6
mittlere Permeabilität 2x 10^-6 < 20x 10^-6
hohe Permeabilität > 20x 10^-6
Möglichkeiten, die Resorption von AS über Zusatzstoffe zu verbessern
A)Maximierung der Arzneistoffkonzentration am Resorptionsort
Formulierungsstrategien zur Verbesserung der Auflösung und Freisetzung
Lösung statt Festform, übersättigte Lösungen, feste Dispersionen, Netzmittelzusätze, etc
B) Zusatz von Additiven
* Resorptionsfördernde Stoffe
* Enzyminhibitoren (bauen unsere WSte ab, muss man hemmen)
* Hemmstoffe von EffluxTransportsystemen (p-GP, MRP)
* Mucoadhäsion
Zusatz von Additiven
penetration enhancers
* Angriff an der Mukosaschicht:
Verringerung der Viskosität und Elastizität (zB nat. Tenside)
* Interaktion mit Membrankomponenten:
Erhöhung der Fluidität, Störung der Struktur, zB Fettsäuren, Tenside
* Interaktion mit Tight Junctions:
zB Chelatbildner, Ca2+, Komplexierung –> Lockerung der Zellverbindungen (Actinfilamente)
Mucoadhäsion:
enger Kontakt mit Schleimhaut
Chitosan, zB verursacht Öffnung von tight junctions
Enzyminhibitoren
verhindern von zB enzymatischen Abbaus von Peptiden und Proteinen am Resorptionsort
zB. Proteaseinhibitoren, Aprotinin, Soybeantrypsininhibitor
Hemmung von Efflux- Transportsystemen (p-GP, MRP) bei peroraler Applikation
zahlreiche Tenside:
- Poloxamere (zB Pluronic P85)
- Cremophor RH40 (Macrogolglycerolhydroxystearat 40)
- Solutol H15 (Macrogol 15 Hydroxystearat)
Resorptionsfördernde Stoffe
Synthetische Tenside:
Na- laurylsulfat
Interaktion mit Zellmembran, p-GP Hemmung
Transz. blockiert
natürliche Tenside:
Gallensalze, Phospholipide, Saponine
Reduktion der mukösen Viskosität, PeptidasenInhibition
trasnz, paraz. blockiert
Fettsäuren
Ölsäure, Caprylsäure, Acetylcholine
Störung der Phospholipidacylketten, Erhöhung der Membranfluidität
trans, paraz. bl
Cyclodextrine
Einschluss von Membrankomponenten (Cholesterol)
transz, paraz.
Chelatbildner
EDTA, Salicylate
Komplexierung von Ca2+, Öffnung von tight junctions
paraz (transz)
positiv geladene Polymere/ Kationen
Chitosansalze, Trimethychitosan
Ion. Interaktion mit negativ geladenen Gruppen der Glykokalix
paraz.
Beispiele für den erfolgreichen Einsatz von Penetrationsförderern
- Nasal: Insulin
Gallensäuren, Tenside - Buccal: Calcitonin
Gallensäuren, Tenside - GIT: Somatostatin-Analoga
Palmitoyl-L-Carnitin - Rektal: Gastrin
5-Methylsalicylat - Vaginal: Leuprorelin
organische Säuren - Transdermal: Vasopressin
DMSO
