Bernd Herber

Verteilung von Pharmaka ins Gehirn - Korrelation mit der Lipophilie und Abhängigkeit vom Applikationsweg

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 28.10.2002

Abstract
Die Beeinflussung der Arzneistoffmengen bzw. Dosisfraktionen, die in das Zentralnervensystem gelangen, ist seit langer Zeit Thema von Forschungsprojekten. Dabei spielt z.B. die Erhöhung der Aufnahme in das ZNS eine Rolle, da man vielfach durch eine Selektivität der Verteilung in das ZNS die peripheren Nebenwirkungen ZNS-aktiver Substanzen reduzieren kann. Hierbei stellt die Blut-Hirn-Schranke ein spezifisches Charakteristikum dieses Kompartimentes (ZNS) dar.
Vor einiger Zeit hat man bei Ratten festgestellt, daß bei Nasalapplikation nicht nur der First-pass-Effekt deutlich niedriger ist als bei peroraler Gabe, es wurde auch gefunden, daß die Selektivität des Transportes in das ZNS erhöht ist.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten verschiedene Aspekte der Permeation in das ZNS, des Einflusses physikochemischer Charakteristika sowie des Applikationsweges untersucht werden. Hierzu wurde anhand von ausgewählten Substanzen (Kokain, Tranylcypromin, Baclofen, Indometacin) mit unterschiedlicher Struktur und Lipophilie geprüft, ob bei Applikation auf die Nasalmukosa höhere relative Gewebekonzentrationen im ZNS erreicht werden können als nach anderen Applikationswegen (i.v., i.p.) und/oder ob applikationsspezifische Unterschiede im Verteilungsmuster in den verschiedenen Hirnsegmenten nachweisbar sind.
Weiterhin sollten vom hydrophilen und daher eher schlecht ZNS-gängigen Baclofen lipophilere Ester-Prodrugs synthetisiert und bei in-vivo-Untersuchungen geprüft werden, ob mittels dieser Prodrugs - möglicherweise in Abhängigkeit des Applikationsweges - höhere ZNS-Konzentrationen an Baclofen erreichbar sind.
Es konnte gezeigt werden, daß sich nach der Nasalapplikation für Kokain und Tranylcypromin in der Regel eine signifikant höhere Gehirnselektivität und etwas bessere CSF-Verfügbarkeit, für Baclofen zwar eine etwas bessere Verfügbarkeit im Hirngewebe, jedoch keine erhöhte CSF-Selektivität im Vergleich zu den anderen jeweils gewählten Applikationswegen nachweisen ließen.
Im Falle von Indometacin wurden nach i.n.-Gabe signifikante Konzentrationen im Thalamus gefunden, während die Substanz bei i.p.-Gabe aufgrund der geringen Spiegel dort meist nicht quantifizierbar war. Möglicherweise spielt in Bezug auf das intracerebrale Verteilungsmuster der Substanz die Tatsache eine Rolle, daß Indometacin Affinität zu Transportern (wie dem organischen Anionen-Transporter) besitzt.
Bei den Untersuchungen zur In-vivo-Stabilität der Baclofen-Ester-Derivate war nachweisbar, daß das Ausmaß der Esterspaltung sowohl von der Kettenlänge des beteiligten Alkohols als auch von der Applikationsweise abhängig ist, während die Lipophilie eine eher untergeordnete Rolle spielt. Sowohl diese Ergebnisse, wie auch weitere in-vivo-Untersuchungen sprechen dafür, daß die Esterspaltung nicht im Blut oder Gehirn sondern wahrscheinlich in der Leber stattfindet. Jedoch war das Ausmaß der Baclofen-Entstehung bei den allen untersuchten Estern so gering, daß man nicht von einer ZNS-Vehikelfunktion dieser Prodrugs ausgehen kann.

The influence on the quantities of drugs or the fractions of the dosage which reach the central nervous system (CNS) has been the topic of research projects for a long time. Within these projects one aspect of interest is the increase of the uptake into the CNS because it is often possible to reduce the peripheric side-effects of CNS-active compounds via selectivity of the distribution into the CNS. In doing so the blood-brain-barrier constitutes a specific feature within this compartiment (CNS).
Some time ago it was shown with rats that by using nasal application not only the first-pass-effect is significantly reduced in comparison to per oral application but it was also shown that the selectivity of the transport into the CNS is increased.
In the context of this thesis different aspects of the permeation into the CNS, the influence of physicochemical characteristics as well as the pathway of the application were to be investigated. Therefore with the aid of selected compounds (cocaine, tranylcypromine, baclofen, indometacin) with different structures and lipophilicity it was to be tested whether a higher relative concentration within the tissue of the CNS can be achieved via application through the nasal mucous membrane than by following other application pathways (i.v., i.p.) and if differences in the method of the application result in a different distribution pattern within the different parts of the brain.
Furthermore more lipophilic ester-prodrugs were to be synthesised from the hydrophilic and therefore rather poorly CNS penetrating baclofen. It was to be tested in in-vivo experiments whether higher CNS-concentrations of baclofen can be achieved using those prodrugs - dependent on the possibility of different application pathways.
It could be shown in the case of cocaine and tranylcypromine that as a rule a significantly higher brain selectivity and a better availability for the CSF could be achieved after nasal application. However, in the case of baclofen a better availability in the brain tissue could be achieved via nasal application but no increased CSF selectivity in comparison to the other application pathways.
Considering indometacin after the i.n.-application significant concentrations within the thalamus could be found whereas the compound after i.p.-application could often not be quantified due to the low levels. It is possible considering the intracerebral distribution patterns of this compound that the fact that indometacin shows an affinity to transporters (such as the organic anion transporter) plays a role. During the investigation of the stability of the baclofen ester derivatives it could be proven that the degree of the ester cleavage is dependent on the chain length of the alcohol as well as the method of application whereas the lipophilicity only plays a minor role. These results and also further in-vivo experiments show that there is every reason to believe that the ester cleavage does not take place in the blood or the brain but rather in the liver. However, the degree of the generation of baclofen was so low with all the investigated esters that a function as CNS vehicle of those prodrugs cannot be assumed.

Keywords:
Kokain, Tranylcypromin, Baclofen, Indometacin, Blut-Hirn-Schranke, Nasalapplikation, Prodrug, ZNS-Erkrankungen, Lipophilie, ZNS-Selektivität

cocaine, tranylcypromine, baclofen, indometacin, blood-brain-barrier, nasal application, prodrug, CNS-diseases, lipophilicity, CNS-selectivity

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Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen, Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung (1-7)
2. Beschreibung der untersuchten Wirkstoffe (8-22)
3. Problemstellung (23-24)
4. Ergebnisse (25-58)
5. Diskussion (59-67)
6. Experimenteller Teil (68-100)
7. Zusammenfassung (101-105)
8. Literaturverzeichnis (i-xviii)
9. Anhang (I-XXVIII)