Grundprinzipien des Stofftransports Flashcards
Typen von Epithelien
Einschichtige:
- Platten: Blutgefäße, Lymphe
- kubisch: Nierenkanäle, Drüsen
- Zylinder + Bürstensaum oder Zilien: GIT und Respirationstrakt
Mehrschichtige:
- unverhornt: Mundschleimhaut, Rachen, Ösophagus, Vagina, Analregion, Außenschicht der Cornea
- verhornt: Epidermis (Hautepithel)
Funktionen: Schutz, Resorption, Sekretion, Sinnes- und Transportfunktion
Barrieren für die Arzneistoffaufnahme
Schleimhaut:
- GIT: einschichtiges Epistel, Phospholipidmembran mit geschlossenen Zellverbindungen (tight junctions)
- Respirationstrakt: einschichtiges Epithel mit Zilien, Phospholipidschicht wie in GIT geschlossen
- Mundschleimhaut: vielschichtiges Epistel, größtenteils nicht keratinisiert, Zotten über punktuelle Kontakte (Desmosomen) verbunden, Lipide im Extrazellularraum
Haut (Epidermis):
- vielschichtiges Epothel, stark keratinisiert, Hornschicht
- Lipide im Extrazellularraum
- “kontinuierliche Lipidschicht” –> nur lipophile Stoffe passierbar
Mucus
Schleimhaut auf Epithelien von “Schleimhäuten” (Mucosa), bis 600 um dick, Gel (90-95% Wasser), von Becherzellen produziert
Mucine (Glykoproteine):
- Mr > 500 kDa
- zentrale Proteineinheit: bis 800 AS
- Saccharideinheit: N-acetylgalactosamin, N-acetylglucosamin u.a. (60-80% Masse, Schutz des Proteins vor Proteolyse)
- Mucine über S-S verknüpft
Funktion: hauptsächlich Schutz gegen aggressive Säure, b Barriere- und Schmierfunktion, Regulierung der Zelladhäsion
Anionisch: Interaktion mit katholischen Arzneistoffen, Bioadhäsion
Aufbau der Plasmamembran (Fluid Mosaic Modell) und Membranproteine
integrale Membranproteine (Resorption, Transport) schwimmen in Membran –> wandern
Proteinanteil 25-75%: Barrierefunktioon größer bei geringerem Proteinanteil
Poren bis ca. 0,5 nm –> “Porenweg” für kleine hydrophile Moleküle (ca. Mr 100) und Ionen ==> meist Moleküle aber > 1 nm
Tight junctions (Zona occludens)
- Verschmelzung der Plasmamembran
- Hauptbarriere der paarzellulären Diffusion
- verhindern die Wanderung spezieller Proteine auf die gegenüberliegende Seite
- bilden ein geschlossenes Band um die Zelle
- in Epithelzellen relativ lose (Z.B. Nieren, harnblase und Darmepithel), je nach Organ
- in Gehirnkapillarenendothelzellen (Blut-Hirn-Schranke) sehr dicht
- Transmembranproteine: Claudine (Barriere, Kanäle für Kationen), Occludin (Regulierung??) ==> Ca-abhängig (durch Ca-Komplexierung beeinflussbar)
Weitere Zellverbindungen
Adherent junctions:
- Zellularspalt, liegt unter TJ
- Ankerproteine
- mechanischer Zusammenhalt des Epithels
Desmosomen:
- Haftplatten v.a. in mechanisch belasteten Epithelien (Haut, Herzmuskel)
- Keratin- , Desmin-Filamente
- mechanischer Zusammenhalt des Epithels
Gap junctions:
- Lücke von bis zu 3 nm, Haftstellen ohne Verschmelzung
- interzellulärer Transport von Ionen und kleinen Molekülen
- Kommunikation zwischen den Zellen (Ca)
- Verbindung benachbarter Zellen durch Kanäle
Vergleich der Durchlässigkeit von Schlussleisten im GIT
Jejunum: 0,75-0,8 nm –> hohe Durchlässigkeit
Ileum: 0,3-0,35 nm –> mittlere Durchlässigkeit
Kolon: 0,2-0,25 nm –> geringe Durchlässigkeit
Stofftransport über Zellbarrieren im Organismus
Interzellulärer Transport:
- Diffusion durch Poren
- Filtration durch Poren
- Resorption (partikuläre Absorption) durch Lücken im Epithelverband
transzellulärer Transport:
- Lipiddiffusion/ Membrandiffusion
- carriervermittelte Prozesse: erleichterte Diffusion, aktiver Transport
- Ionenpaartransport
- Porentransport
Vesikeltransport:
- Pinizytose/ Phagozytose
- Transzytose (Cytopermeosis): Einstellung der Zellmembran und Transport in Vesikeln
Diffusion
Transportweg: kurz
Einteilung:
- reine Diffusion innerhalb einer Phase
- Diffusion in eine Phasengrenze (Penetration)
- Diffusion durch eine oder mehrere Phasengrenzen (Permeation)
Konvektion
Transportweg: lang
Einteilung:
- Herz-Lungen-Kreislaufsystem (Bluttransport)
- Filtration durch Poren (Glomerulus der Nieren Kapillarwandporen)
Parameter der passiven Diffusion
Diffusionskoeffizient:
- abhängig von der Größe und Lipophilie des Arzneistoffes und Viskosität des Diffusionsmediums (Membran)
- groß bei ausreichend hoher Lipiphilie und geringer Molekülgröße
- Zunahme bedeutet schnelle passive Diffusion
Diffusionsfläche:
- vom Resorptionsorgan abhängig
- z.B. Darmoberfläche viel größer als Magenoberfläche, da Darmresorption generell schneller
Membrandicke:
- je kleiner umso schneller erfolgt die passive Diffusion
- Bsp. Lunge: Membran dünn –> Resorption schnell bei Inhalation
Konzentrationsgradient:
Volumen im inneren Kompartiment viel größer als im äußeren Kompartiment –> Konzentrationsdifferenz ist groß –> schnelle und vollständige Resorption vieler Arzneistoffe
Richtwerte für Resorptionsflächen
Mundhöhle ............... 0,02 m2 Magen ....................... 0,2 m2 Dünndarm ................ 200 m2 Colon ......................... 1 m2 Rektum ...................... 0,07 m2 Lunge ......................... 80 m2 Nase ........................... 0,015 m2 Vagina ....................... 0,01 m2 Haut ........................... 1,7 m2
Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der passiven Diffusion und der Lipophilie
Umso lipophiler ein Arzneistoff ist, desto besser kann er sich in der Membran anreichern (dort besser löslich als in wässriger Außenphase –> wandert also gerne in die Membran). Dadurch entsteht ein stärkeres Konzentrationsgefälle zwischen Membran und innerer wässrigen Phase, was eine wesentlich schnellere Abgabe in die innere Phase ermöglicht als bei geringerer Lipophilie des Arzneistoffs (da ist dann das Konzentrationsgefälle nicht so hoch und der AS wandert nur langsam aus der Membran in die innere Phase)
erleichterte Diffusion (Carrier-Transport)
nur entlang eines Konzentrationsgradienten, ohne Energieverbrauch spezifisch für z.B. - Aminosäuren - Monosaccharide - starke organische Säuren und Basen - B-Vitamine - Estradiol, Testosteron
aktiver Transport
primär aktiver Transport:
Molekül, Proton oder Ion wird unter Energieaufwand entgegen dem Konzentrationsgradienten transportiert ( z.B. Na-Cl-Pumpe)
sekundär aktiver Transport:
ATP verbrauchender Transport ermöglicht zweiten Transport entlang eines Konzentrationsgradienten ( z.B. Glucose durch Na-Cl-Pumpe)
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 Dosissteigerung zu keiner weiteren Steigerung des Stofftransports mehr führt (Michaelis-Menten)
Endozytotische Prozesse
Pinozytose (“Zelltrinken”):
kleine Vehikel < 150 nm Durchmesser
1. Flüssigtröpfchen (unspezifisch, alle Zelltypen)
2. Adsorption (unspezifische Bindung von Makromolekülen an Membranrezeptor von Phagozytose)
3. Rezeptor-vermittelt (spezifische Bindung an Membranrezeptor)
Resorptionsmechanismus von Makromolekülen
Phagozytose (“Zellfressen”):
große Vehikel > 250 nm Durchmesser (bis 5 um)
- nur in bestimmten Zellen (Makrophagen) –> siehe Phagozytose von Bakterien
- nicht relevant für Resorptionsmechanismen von AS oder Aufnahme von partikulären Arzneistofffreigabesystemen (Mikrosphären, Liposomen, etc.) –> entweder Problem oder Möglichkeit beim Drug-Targeting –> gewisse Anreicherung in der Lymphe
- spezialisierte Zellen im GIT (M-Zellen) - lymphatisches Gewebe –> möglicher Resorptionsmechnaismus für Vaccine, Immungglobuline, Mikropartikel (< 10 um)
Ionenpaartransport
Ionenpaar: Assoziat entgegengesetztgeladener Ionen
- hydrophileis Kation mit lipopjilen Gegenion
- Coulomb.Kräfte
- Gleichgewicht
- neutrales Teilchen durchwandert Biomembran
- -> Hypothese schwer beweisbar/ umstritten
- -> erklärt Absorption von einigen hydropjilen Arzneistoffen, die im physiologischen weitestgehend ionisiert vorliegen
Anwendung: Ionenchromatographie
Resorptionsvermindernde biochemische Prozesse
Efflux-Systeme (Exportproteine):
- transportiert aktiv (ATP) Stoffe vom Zellinneren ins umliegende Gewebe
- wichtiges p- Glykoprotein
Metabolismus:
- bestimmte Aminosäuren signifikant in Epithelzellen meatbolisiert
- Cytochrom p-450 3A4: häufigstes Enzym
Exportproteine
sog. ABC Protein-Familie, besitzen ATP-Bindungsstellen
- MDR-Proteine: Multidrug resistent Proteine
- MRP-Proteine: Multidrug resistent related Proteine
Wichtigstes MDR:
- p-Glykoprotein (p-GP, GP170 - “permeability glycoprotein”)
- Membranprotein, Tumorzellen meistens gegen Zytostatika, Bakterien meistens gegen Antibiotika
- Sekretion von Substanzen in Leber und Nieren, Darmlumen, Plazenta, ZNS, Gefäße
- Entgiftigunsstation für Xenobiotika (v.a. lipophile und kationische Struktur)
- hemmbar durch Arznei- und Hilfsstoffe (Arzneimittelinteraktion)
Beispiele für nachgewiesenen p-GP Transport: Zytostatika, Antibiotika, Lipidsenker, Betablocker, HIV-Proteasehemmer, Ca-Antagonisten, auch Hilfsstoffe
–> p-GP wird vorwiegend in Organen und Geweben gebildet, die eine Trennfunktion zwischen innen und außen darstellt
Abschätzung/ Untersuchung der Resorption und Permeation
Bestimmung physikochemischer Eigenschaften:
- pka
- Lipophilie
- Löslichkeit
- Lösungsgeschwindigkeit
- Komplexbildungsvermögen
- u.a.
besser: Modelle mit Membranen, Zellen, Geweben:
- Film von Phospholipiden, Liposomen, Lipidmembran, membranvesikel
- Zellkulutern (CACO2)
- isolierte Gewebsstücke (Haut, Schleimhaut, etc.)
noch besser: isoliert perufundierte Organe (ganze Zellverbände)
- organspezifische pharmakokinetische Daten, z.B. Metabolismus (Leber)
Caco-2 Modell
- verbreitetes Zellbasiertes in vitro Modell für die Abschätzung der personalen Resorption
- Monolayer aus kultivierten Epithelzellen (Dikcdarmzellen, Carcinome Colon)
- Kultur auf permeabler Membran
- geschlossene Monolayer an Enterozytenähnliche Zellen mit Bürstensaum an epithelialer Seite
- interzellulare tight junctions
- Transportsystem
- metabolische Mechanismen CYP3A4 –> Exportsysteme
erhaltene Daten: Permeabilität, Resorptionsmechanismus, Geschwindigkeit, Toxizität, Arzneistoffinterkationen bei der Resorption, intestinaler Metabolismus
PAMPA-BBB Assay: HT und passive Diffusion
künstliche Membran mit Phospholipiden z.B. Filter und Lezithin in Dodecan - Hexadecan, etc.
Häufig verwendet in Industrie verwendeter assay: PAMPA (parallel artificial Membrane permeability assay)
- hoher Durchsatz (Screening)
- pH Bereich 4-8
- schnell
- billig
- aber nur passive Diffusion
