Pharmacokinetics of the enantiomers of thalidomide

• Thalidomide has a chiral center and the racemate of (+)-(R) and (-)-(S)-thalidomide was introduced as a hypnotic/sedative drug in 1957. In 1961 it was withdrawn due to teratogenicity and neuropathy. There is a growing interest in thalidomide treatment of immunomodulatory diseases. Given this renewed interest the aim of this thesis was to achieve a more rational use of thalidomide. Therefore some chemical and pharmacological aspects of the racemate and of the enantiomers were studied, with special emphasis on the pharmacokinetics of the enantiomers. HPLC assays for determination of thalidomide, its enantiomers and some hydroxylated metabolites were developed. So were different compartment models to describe the pharmacokinetics of the enantiomers of oral and i.v. administration. Solutions for i.v. administration of the enantiomers and methodology for concentration-effect relationship studies (sedation) of the enantiomers were developed. In addition, methods were created to avoid hydrolysis and chiral inversion in blood samples and during assay. The plasma protein binding was 56 for (+)-(R)- and 66% for (-)-(S)-thalidomide. Serum albumin catalysed the inversion, but not the degradation, at pH 7.4. This catalysis was inhibited to various extents in human plasma, and by capric acid, ASA or physostigmine. This supports that chiral inversion and hydrolysis occur by different mechanisms. The pharmacokinetics in a total of 22 healthy male volunteers was studied. The t½ was lower (4.7 h) than previously reported. CLtot was 14 and 24 L/h, and Vdss was 48 and 66 L for (+)-(R)- and (-)-(S)-thalidomide, respectively. It was shown that (+)-(R)-thalidomide is responsible for the sedative effects in humans. Other researchers have shown that the teratogenic and immunomodulatory effects possibly reside in the (-)-(S)-enantiomer. However, the tragedy in the 60s could not have been avoided with the use of the (+)-(R)-enantiomer since this study shows that there is rapid chiral inversion between the enantiomers in humans. The (+)-(R)-enantiomer is predominating at pseudoequilibrium, 8-10 hours after an oral dose of the separate enantiomers. 5'-hydroxy thalidomide but not three other hydroxylated metabolites were found in low concentrations in plasma from all 8 subjects, with a detection limit of 1-2 ng/ml. Three of the hydroxylated metabolites were identified after incubation with human S9 liver homogenate. Further development and studies of oral and i.v. administration forms based on (-)-(S)-thalidomide is suggested.

• Popular Abstract in Swedish Det finns ett ökat intresse för behandling med talidomid. Därför var målsättningen med detta avhandlingsarbete att åstadkomma en mer ändamålsenlig användning. Några kemiska och farmakologiska aspekter med speciell inriktning på omsättningen av talidomid i människokroppen studerades. Historien om talidomid (Neurosedyn; varumärke i Sverige) är ett tragiskt kapitel i läkemedelshistorien. Studier på människa och försöksdjur hade visat speciellt låg giftighet och läkemedlet marknadsfördes mellan 1957 och 1961 mot oro, ångest och sömnbesvär. Det kom att användas av gravida kvinnor och visade sig snart vara fosterskadande med tusentals missbildade barn som följd. Stora ansträngningar har gjorts av myndigheter, läkemedelsföretag med flera, för att förhindra att historien upprepar sig och ingen hade väl trott att talidomid skulle få en renässans. Men redan 1961 rapporterades från Israel om oväntade effekter av talidomid på en viss akut form av spetälska. Efter detta har talidomid, under strikt kontroll, börjat användas vid vissa svåra sjukdomar i immunsystemet, såsom avstötningsreaktioner efter benmärgstransplantationer, kraftig viktnedgång och svåra inflammationer i munslemhinnan hos patienter med HIV, samt hos patienter med andra svåra inflammationer i hud och slemhinnor. Effekterna vid vissa av dessa sjukdomstillstånd har nyligen visats bero på talidomids hämmande effekt på ett protein som frisätts av immunsystemets celler. Detta protein kallas TNF-alfa. Vid framställning av talidomid bildas normalt två former. Dessa två former av samma molekyl är spegelbilder av varandra och de kallas R- och S-enantiomerera av talidomid. Förekomsten av enantiomerer är ett välkänt fenomen och flera av våra vanligaste läkemedel innehåller två enantiomerer. Det är också välkänt att enantiomererna kan ha olika effekter, biverkningar och omsättning i kroppen. Därför har man valt att i vissa läkemedel bara använda den ena av enantiomererna. Fortfarande påstås det att talidomidkatastrofen kunde ha undvikits om tillverkarna använt talidomid som ej "förorenats" med fel enantiomer. För detta krävs att: 1. Effekterna vid oro, ångest och sömnbesvär orsakas av den ena enantiomeren. 2. De fosterskadande effekterna orsakas av den andra enantiomeren. 3. Om den rogivande enantiomeren ges bildas ej den fosterskadande i människokroppen. I avhandlingsarbetet har vi i vår forskargrupp visat att 1. gäller och andra forskare har visat att 2. sannolikt gäller. Teoretiskt skulle alltså effekterna kunna skiljas åt. Men vi har också visat att båda enantiomererna efter kort tid finns i blodcirkulationen, i ett visst förhållande, oavsett vilken enantiomer som givits. Om den ena enantiomeren ges så bildas alltså den andra. Talidomidtragedin hade således ej kunna förhindras genom användning av "rätt" enantiomer. Detta innebär samtidigt att den dåsighet som tidigare eftersträvades, då talidomid användes som ett sömnmedel, nu måste ses som en biverkan som ej kan undvikas. Talidomid har komplicerade kemiska och farmakologiska egenskaper. Detta och det faktum att preparatet togs fram för mer än 40 år sedan har bidragit till att upptag, fördelning och utsöndring ej studerats fullständigt på människa. Vidare finns det vissa belägg för att effekterna på immunsystemet och fosterskadorna beror på nedbrytningsprodukter som bildas i levern. Dessa nedbrytningsprodukter hade inte tidigare identifierats i blod för människa. För att kunna studera talidomid och vissa av dess nedbrytningsprodukter, har vi tagit fram metoder för att mäta vilka halter som finns i blod. Vi har studerat hur talidomid och dess enantiomerer omsätts då de ges som tablett till friska försökspersoner. Vi är först med att ha tillverkat och provat en lösning för intravenös injektion för att studera hur medlet omsätts på människa. Vår grupp är också först med att identifiera en i levern nedbruten talidomidprodukt, i blod för människa. I laboratoriet har studerats ytterligare faktorer av betydelse för att förstå hur talidomid uppför sig i människokroppen. Vi har även studerat hur blodprover ska hanteras för att kunna ge vägledning om vilka halter i blod som är lämpliga vid behandling av olika sjukdomar. Avhandlingsarbetet har visat att talidomid i kroppen bryts ner spontant i alla vävnad och vätskor dit det fördelas och oberoende av lever- och njurfunktion. Omvandlingen mellan enantiomererna sker fortare i kroppsvätskor med hög halt av albumin (ett viktigt protein framför allt i blodet). Vidare har visats att talidomid inte binder sig specifikt till albumin eller andra komponenter i blodet och att det bryts ned snabbare i människokroppen än vad en amerikansk forskargrupp tidigare rapporterat. Halten i blodet halveras inom cirka 5 timmar. Min avhandling, som omfattar sju delarbeten, har sammanfattningsvis gett: - det slutgiltiga beviset för att talidomidkatastrofen inte kunde ha undvikits genom att tillverkarna bara använt "rätt" enantiomer. - ökade kunskaper om talidomid och dess enantiomerers kemiska egenskaper, lugnande effekter och framför allt omsättning i kroppen. - förutsättningar för en mer rationell användning och hantering av talidomid vid kliniskt och experimentellt bruk. - viktiga uppgifter för myndigheters bedömning av fortsatt och eventuellt ökad användning av talidomid. - bakgrund för utveckling av injektions- och tablettberedning baserad på S-enantiomeren. Detta för att förbättra upptaget, minska tröttheten och möjliggöra en förbättrad och/eller förenklad behandling. - vägledning för undersökningar av de nyare och troligen effektivare läkemedel som liknar talidomid men som sannolikt ej ger fosterskador.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinska och farmaceutiska grundvetenskaper -- Läkemedelskemi (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Basic Medicine -- Medicinal Chemistry (hsv//eng)

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinska och farmaceutiska grundvetenskaper -- Farmakologi och toxikologi (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Basic Medicine -- Pharmacology and Toxicology (hsv//eng)

Nyckelord

protein binding

blood distribution

stereoselective pharamacokinetics

pharmacokinetic modelling

oral administration

intravenous administration

chiral inversion

stereospecific assay

HPLC

Thalidomide

hydroxylated metabolites

enantiomers

in vitro kinetics

sedative effects

concentration-effect relationship.

Pharmacological sciences

pharmacognosy

pharmacy

toxicology

Farmakologi

farmakognosi

farmaci

toxikologi

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)