LADME Flashcards
LADME Bedeutung
Liberation Absorption Distribution Metabolismus Exkretion
LADME beschreiben, wie sich ein Wirkstoff in einem Organismus verhält. Die Kriterien beeinflussen den Wirkstofflevel im Blut/am Wirkort sowie die Kinetik derWirkstoffexposition
Liberation/Dissolution
Schlüsselfaktor: Wasserlöslichkeit; häufigstes Problem für die Bioverfügbarkeit bei schlecht wasserlöslichen Wirkstoffen. Die Fähigkeit eines Wirkstoffes, sich zu lösen ist häufig wichtiger für die gesamte Absorptionsrate als seine Permeabilität durch die intestinale Schleimhaut! Wirkstoff muss sich nämlich im GI-fluid lösen, bevor er verfügbar werden kann für Absorption
Die Löslichkeit bestimmt also:
- die Lösungsrate
- die maximale Menge, die gelöst werden kann
Dissolution = Auflösen
Dynamischer Prozess, während dem sich ein Material in einem Lösemittel auflöst. Wird charakterisiert durch eine Kinetik.
Dissolution Rate (DR)
Noyes-Whitney-Equation:
DR = dX/dt = ( A*D/h ) * ( Ssat - Xd / V )
A Oberfläche (z.B. von einer Tablette: pir^2 + 2pirh)
D Diffusionskoeffizient des Wirkstoffes
Ssat Sättigungslöslichkeit
Xd Menge an gelöstem Wirkstoff
V Volumen des Mediums/Lösemittels
h Dicke der hydrodynamischen Grenzschicht
Transit time dt
Auflösezeit > Transit time => schlecht löslicher Wirkstoff
Transit time von Feststoffen / h Magen: 1-3 Dünndarm: 3-5 Duodenum: 0.25 Jejunum: 1.1 Ileum: 2 Dickdarm: 4-16
Oberfläche A
- Partikelgrösse: bestimmt die Auflöserate; Mikronisierung auf 3-5mm ist oft eine erfolgreiche Strategie, um die Auflöserate zu verbessern.
- Benetzungsverhalten: bei schlechter Benetzung führt Mikronisierung oft zu einer geringeren Auflöserate, wegen Agglomeration. Abschätzung mit Hilfe der Strukturformel und des Kontaktwinkels
Lösung: Tenside
Hydrodynamische Grenzschichtdicke h
Kann verkleinert werden, indem der Wirkstoff zusammen mit Nahrung verabreicht wird. GI Trakt befindet sich dann im fed state, in welchem häufigere segmentale Kontraktionen stattfinden. -> verbesserte Mischeffizienz. Auflöseeffizienz und Absorption sind also evtl. im Fed state besser als im fasted state
Diffusionskoeffizient D
Stones-Einstein-Gl. beschreibt den Zusammenhang zwischen Diffusionskoeffizient und Viskosität:
D = kT / 6pieta*r
Kombiniert mit der Noyes-Whitney-Gleichung ergibt sich: DR ~ 1 / eta
Höhere Viskosität kann sogar eine verbesserte Löslichkeit überlagern!
GI-Volumen V
Flüssigkeiten, die mit einer Mahlzeit eingenommen werden, können das Volumen um bis zu 1.5L vergrößern! Außerdem beeinflusst Flüssigkeit die sekretion von Magensäure, Gallensaft etc.
Xd und Ssat
Bulk-Konz. (Wirkstoffkonzentration im GI) kann häufig gegenüber der Sättigungslöslichkeit vernachlässigt werden -> sink condition = kontinuierliche Entfernung des Wirkstoffes aus dem GI-Trakt durch Absorption durch die Darmwand
Dose : Solubility ratio
Volumen an Gastrointestinalen Flüssigkeiten, welches benötigt wird um eine definierte Dosis aufzulösen
Ssat
Löslichkeit des Wirkstoffes im lösenden Medium;
Treibende Kraft für das Auflösen eines Wirkstoffes
Konzentrationsgradient zwischen den Membranen. Wird bestimmt von:
Löslichkeit Ssat
Bereits gelöste Wirkstoffkonzentration Xd
Dicke der hydrodynamischen GS h
Verschiedene Löslichkeiten
Löslichkeit S: Menge an Wirkstoff pro Volumeneinheit eines Mediums (Xd/V)
Sättigungslöslichkeit Ssat: maximale Menge an gelöstem Wirkstoff pro Volumeneinheit
Intrinsische Löslichkeit S0: Löslichkeit der neutralen Form eines protolytischen Wirkstoffes
Ionisierbare / nicht ionisierbare Wirkstoffe - Effekt auf Löslichkeit
Wirkstoffe, die nicht ionisieren und nicht mit dem Medium reagieren werden durch S0 beschrieben -> in die Noyes-Whitney-Gl. einsetzen.
Viele Wirkstoffe sind jedoch schwache Säuren oder Basen und ionisieren wenn sie sich auflösen. In diesem Fall ist S0 nicht die geeignete Wahl.
Die Löslichkeit eines Moleküls bei einem definierten pH ist eine Funktion der Löslichkeit der ionisierten Form und der limitierenden Löslichkeit der neutralen Form.
S0 = [HA] + [A-] für Säuren S0 = [B] + [BH+] für Basen
Es folgt: S = S0 (1 + 10*exp{pH-pKa} ) für S < Ssat
Die Löslichkeit eines Moleküls kann also bei bekannter intrinsischen Löslichkeit und pKa berechnet werden!
Dissoziieren einer Säure (Reaktionsgleichung)
HA + H2O <=> H3O+ + A-
Abhängigkeit der Löslichkeit vom pH bei ionisierbaren Molekülen
Löslichkeit einer schwachen Säure wird mit steigendem pH verbessert:
S = S0 * (1 + Ka / [H+] ), Ka Säurekonstante
Die Löslichkeit einer schwachen Base wird mit steigendem pH verschlechtert:
S = S0 * (1 + [H+] / Ka )
Ka / pKa - Wert
Gibt Aussage über die Stärke einer Säure.
Ka = GGW-Konstante * [H2O]
Je stärker die Säure, desto mehr liegt das Gleichgewicht auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung (desto mehr wird dissoziiert). pKa ist der negative dekadische Logarithmus des Ka-Wertes. Dementsprechend besitzt eine starke Säure einen niedrigen pKa-Wert
Parameter mit Einfluss auf die Löslichkeit eines Moleküls
Molekulargewicht und Substituenten Grad der Ionisierung Ionenstärke Salzform Temperatur Kristalleigenschaften Komplexierung
Einfluss des Molekulargewichtes auf die Löslichkeit
Große organische Moleküle besitzen eine geringere Wasserlöslichkeit als kleine Moleküle
log(S) über MW: Linearer abnehmender Zusammenhang
Einfluss der Temperatur auf die Löslichkeit
Auflösen ist ein endothermer Prozess, Löslichkeit steigt also meist mit steigender Temperatur (Feststoffe). NaCl jedoch ist nahezu temperaturunabhängig, die Löslichkeit. On CaOH sinkt mit steigender Temperatur
Löslichkeit in Gallensalzen/-Säuren
Log[SR] = 0.64 * log[P] + 2.09
Lineare Korrelation zwischen logSR (Solubilization Ratio) und logP (Verteilungskoeffizient)
Löslichkeit bei zeitgleicher Nahrungsaufnahme
Die Löslichkeit eines Wirkstoffes im GI-Trakt kann verbessert werden, wenn der Wirkstoff gut in der zeitgleich eingenommenen Nahrung löslich ist.
Zusammenfassung der Einflussparameter auf die Löslichkeit
Faktor; physikochemischer Parameter; physiologischer Parameter
Oberfläche A - Partikelgröße und Benetzbarkeit - Tenside im Magensaft und Galle
Diffusionskoeffizient D - Molekulargewicht - Viskosität im Innern des GI-Traktes
GS-Dicke h - - Pattern der Darmkontraktionen, Flussrate
Löslichkeit Cs - Hydrophobizität, Kristallstruktur, Auflöseverhalten - pH, Pufferkapazität, Galle, Nahrungskomponenten
Menge an gelöstem Wirkstoff Xd - - Permeabilität
Volumen V - - Sekretion, andere eingenommene Flüssigkeiten
Physikochemische Eigenschaften mit Einfluss auf Absorption
Hydrophobizität Größe Form Ladungsverteilung Amphiphilizität Löslichkeit Schmelzpunkt Ladung Ionisierung
NCE
New Chemical Entity, Medikament, welches keine Wirkstoffe enthält, die bereits zugelassen sind.
Modelle für die Evaluation des Absorptionspotentials
In silico - Modelle
In vitro - HTPS
in vivo - Tierversuche oder am Menschen
Computerbasierte Vorhersagemethoden
Schlechte LADME-Eigenschaften ist der wichtigste Grund für das Scheitern von drug candidates. Screenings der LADME Eigenschaften könnten sogar biologische Aktivitätsscreenings überholen.
Polare Oberfläche = PSA: aufsummierte Oberfläche aller polaren Atome (meist O und N). PSA > 140 A^2: schlechte Permeabilität durch Zellmembranen. Für Moleküle, welche die Blut-Hirn-Schranke überbrücken müssen: PSA !< 60 A^2
QSAR = Quantitive structure-activity relationship: Chemische Struktur wird quantitativ korreliert mit z.B. Biologischer oder chemischer Aktivität. Die theoretischen Modelle basieren meist auf experimentellen Daten aus Absorptionsmodellorganismen (Caco-2-Zellen)
Caco-2-Zellen
Heterogene humane Epithelzelllinie, erstmals isoliert aus Darmkarzinomen. Differenzierung zu Epithelzellen ähnlich denen des Dünndarms. Anwendung in Studien zu Transportmechanismen oder viraler Transfektion
Haupttransportmechanismus für Wirkstoffe
Passiver Transport; wird bestimmt durch physikochemische Eigenschaften des Wirkstoffmoleküls (Hydrophobizität, Oberflächenladungen, MW, …)
Lipinski-Regel
Der Verteilungskoeffizient ist der am weitesten verbreitete Parameter für die Vorhersage der Absorption. Weiterhin ist die Lipinski-Regel eine nützliche Faustregel:
- MW < 500 g/mol
- logP < 5
- Anzahl der Akzeptoren für Wasserstoffbrückenbindungen (N, O) < 10
- Anzahl der Donoren für Wasserstoffbrückenbindungen (N-H, N-O) < 5
Solche Moleküle besitzen eine größere Wahrscheinlichkeit, dass sie oral verabreicht eine gute Bioverfügbarkeit besitzen. Zusammenfassung historischer Daten von Molekülen welche die Kriterien bei der pharmakologischen Aktivität erfüllten.
Annahmen:
- transzellulärer Transport ist MW-abhängig
- Wirkstoff wird nur durch passive Diffusion absorbiert
- Wirkstofflöslichkeit ist nicht limitierender Faktor
Erweiterung Lipinski durch Ghose 1999
- logP zwischen -0.4 und +5.6
- molar refractivity = Polarisierbarkeit pro Mol zwischen 40 und 130
- MW zwischen 160 und 480 g/mol
- Atomzahl zwischen 20 und 70
Log P,D: Definition und Bestimmung
Partition Coefficient Log P = Wirkstoff in organischer Phase / Wirkstoff in wässriger Phase = [HA]org / [HA]aq
Distribution Coefficient D = [HA]org / ( [HA]aq + [A-]aq )
log ( P / [D-1] ) = pH - pKa
Bestimmung erfolgt meist mit Hilfe von Schüttelkolbenexperimenten. Wirkstoff wird mit Octanol und Wasser vermischt, anschliessende Analyse mittels UV, HPLC oder Titration. Werte sind abhängig von:
- Temperatur
- unzureichende Sättigung der Phasen
- pH
- Pufferionen und deren Konzentration
- Lösemittel
Chromatographiesysteme zur Bestimmung der Permeabilität
- IAM (Immobilized artificial membrane) columns: Kovalent gebundene Phospholipide (lipophile Schicht auf der Säule, darunter polare Schicht) -> Imitation einer Zellmembran
- RP columns (Säulen beschichtet mit n-Octanol und Puffer gesättigt mit n-Octanol)
- Liposome columns
Weitere Methode: Kapillarelektrophorese (geringerer Einfluss der Konvektion als bei der normalen Konvektion, da besseres Oberflächen-Volumen-Verhältnis). Mittlerweile Alternative zur HPLC
PAMPA
Parallel artificial membrane permeability assay
Molekül (Anfangskonzentration Cd, Donor) wandert durch eine Membran, Konzentration Ca (Akzeptor)
Daraus Berechnung der Permeabilität.
PAMPA wurde entwickelt, um die passive Permeabilität im gastrointestinalen Epithel zu modellieren. Unterschiede sind vorhanden in Membranzusammensetzung, pH von Donor und Akzeptor sowie Inkubationszeit.
PAMPA Vor- und Nachteile
Vorteile
- Verwendung biologischer Membranzusammensetzungen (z.B. Cholesterol)
- Imitation physiologischer konzentrationsgradienten
- Imitation von sink Effekten (Tenside oder Proteine im Akzeptorkompartiment)
- Imitation von Kosolvent-Effekten (durch beispielsweise Gallensalze als Tenside zum Donorkompartiment)
Nachteile
- relativ teuer
- Troughput könnte höher sein
- nur passive Transportstudien möglich!
Membranvesikel
Als Modell für Carrier-mediated Transport geeignet; repräsentiert die Aufnahme eines Wirkstoffes in die Enterocyten
Methode: Homogenisation von invertiertem gefrorenem Dünndarm
Nachteile:
- Methode repräsentiert nur einen Anteil des ganzen Absorptionsprozesses (z.B. In die Zelle)
- kein parazellulärer Prozess kann untersucht werden
- Abweichungen durch das Vorbereiten der Vesikel möglich - unterschiedliche Ergebnisse
Intestinale Ringe
Zur Kinetikanalyse von Carrier-mediales Transport.
Methode: Dünndarm eines Tieres wird in Ringe geschnitten und unter Rühren und Begasung in ein Inkubationsmedium gegeben. Anschließend werden Proben des Inkubationsmediums analysiert auf ihren Wirkstoffgehalt
Vorteile:
- einfache Vorbereitung
- Ergebnisse ähneln stark denen aus in vivo-Experimenten
Nachteile:
- Diffusion in das Gewebe erfolgt auch von der Seite (nicht durch die Lipidmembran)
- die Stücke erhalten ihre Integrität nur für 20-30 Minuten
Zellkulturen zur Untersuchung des Transports
Caco-2-Zellmonolayer sind beliebt geworden als Permeabilitätsmodell. Auch andere Zellen, z.b. MDCK. Zellen wachsen auf einem Filtersupport als Monolayer. Wenn sie vollständig differenziert sind, entwickeln sie Transportcharakteristiken von reifen Zellen.
Scheinbare Permebailität:
P(app) = [ dc(acceptor) / dt ] * V(donor) / A(tissue) * C(0,donor)
