TY  - THES
A1  - Adler, Melanie
T1  - New approaches to improve prediction of drug-induced liver injury
T1  - Neue Ansätze zur verbesserten Vorhersage arzneimittelinduzierter Leberschäden
N2  - Das häufige Scheitern neuer Arzneistoffkandidaten aufgrund von Lebertoxizität in präklinischen und klinischen Studien stellt ein erhebliches Problem in der Entwicklung von neuen Arzneimitteln dar. Deshalb ist es wichtig, neue Ansätze zu entwickeln, mit deren Hilfe unerwünschte Wirkungen von Arzneimitteln früher und zuverlässiger erkannt werden können. Um die Vorhersage von Lebertoxizität in präklinischen Studien zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei wesentliche Ansätze gewählt: 1) die Evaluierung neuer Biomarker, durch die Lebertoxizität zuverlässiger und empfindlicher detektiert werden könnte und 2.) wirkmechanistische Untersuchungen mittels Toxcicogenomics für ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der Arzneimittel-induzierten Toxizität. Ein Ziel dieser Arbeit war, die Fähigkeit einiger neuer potenzieller Biomarker (NGAL, Thiostatin, Clusterin und PON1) zu bewerten, Arzmeimittel-induzierte Lebertoxizität in Ratten frühzeitig zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, dass PON1 und Clusterin infolge eines durch die verabreichten Arzneistoffkandidaten verursachten Leberschadens nicht konsistent verändert waren. Diese beiden Marker sind daher, verglichen mit bestehenden klinisch-chemischen Markern, nicht für eine sichere Vorhersage von Arzneistoff-induzierten Leberschäden geeignet. Bei Thiostatin und NGAL zeigte sich hingegen ein zeit- und dosisabhängiger Anstieg im Serum und Urin behandelter Tiere. Diese Veränderungen, die gut mit der mRNA Expression im Zielorgan übereinstimmten, korrelierten mit dem Schweregrad der Arzneistoff-induzierten Leberschäden. Die Analyse mittels ROC zeigte, Thiostatin im Serum, nicht aber NGAL, ein besserer Indikator für Arzneimittel-induzierte hepatobiliäre Schäden ist als die routinemäßig verwendeten klinische-chemischen Marker, wie z.B. die Leberenzyme ALP, ALT und AST. Thiostatin wird jedoch als Akute-Phase-Protein in einer Vielzahl von Geweben exprimiert und kann somit nicht spezifisch als Lebermarker betrachtet werden. Dennoch zeigen unsere Ergebnisse, dass Thiostatin als sensitiver, minimal-invasiver diagnostischer Marker für Entzündungsprozesse und Gewebeschäden eine sinnvolle Ergänzung in der präklinischen Testung auf Lebertoxizität darstellt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde mittels RNA-Interferenz das pharmakologische Target des Arzneistoffkandidaten BAY16, der Glukagonrezeptor, auf mRNA-Ebene gehemmt und anhand von Genexpressionsanalysen untersucht, ob die pharmakologisch-bedingte Modulation des Glukagonrezeptors eine Rolle in der Toxizität von BAY16 spielt. Desweiteren sollten diese Arbeiten Aufschluss geben, welche molekularen Veränderungen auf die pharmakologische Wirkung des Arzneistoffs zurückzuführen sind, und daher für den Mechanismus der Toxizität möglicherweise wenig relevant sind. Während BAY16 in Konzentrationen von 75 µM starke zytotoxische Wirkungen aufwies, hatte die siRNA vermittelte Depletion des Glukagonrezeptors keinen Einfluss auf die Vitalität primärer Rattenhepatozyten. Daraus lässt sich ableiten, dass die Hepatotoxiziät von BAY16 in vitro und in vivo nicht mit der pharmakologischen Modulation des Glukagonrezeptors assoziiert ist. Diese Ergebnisse wurden durch die Tatsache gestützt, dass die meisten der durch BAY16 induzierten Genexpressionsveränderungen unabhängig von der pharmakologischen Modulation des Glucagonrezeptors auftraten. Diese beobachteten off-target-Effekte beinhalteten Veränderungen im Fremdstoffmetabolismus, oxidativer Stress, erhöhte Fettsäuresynthese und Veränderungen im Cholesterol- und Gallensäuremetabolismus. Obwohl Veränderungen in diesen molekularen Mechanismen zum Fortschreiten eines Leberschadens beitragen können, ist es anhand dieser Daten nicht möglich einen eindeutigen Mechanismus für die Toxizität von BAY16 abzuleiten. In dieser Arbeit konnte jedoch gezeigt werden, dass die Anwendung der siRNA-Technologie einen neuen methodischen Ansatz darstellt, um Mechanismen arzneimittelbedingter Toxizität besser verstehen zu können.
N2  - The high failure rate of new drug candidates in preclinical or clinical studies due to hepatotoxicity represents a considerable problem in the drug development. Hence, there is an urgent need to develop new approaches for early and reliable prediction of drug-induced hepatotoxicity that enables a better identification of drug candidates with high potential for toxicity at early stages of drug development. Therefore, the aim of this work was to improve the prediction of drug-induced liver injury in preclinical studies through evaluation of more reliable and sensitive biomarkers of hepatotoxicity and a better understanding of the underlying mechanistic basis for drug-induced toxicity. First, the ability of a set of potential markers (NGAL, thiostatin, clusterin, PON1) to detect early signs of liver injury was assessed in rats treated with drug candidates that were dropped from further development, in part due to toxic adverse effects in the liver. In summary, PON1 and clusterin were not consistently altered in response to liver injury and thus provide no additive information to the traditional liver enzymes in detecting drug-induced hepatotoxicity. In contrast, thiostatin and NGAL were increased in serum and urine of treated animals in a time- and dose-dependent manner. These changes correlated well with mRNA expression in the target organ and generally reflected the onset and degree of drug-induced liver injury. Receiver-operating characteristics analyses supported serum thiostatin, but not NGAL, as a better indicator of drug-induced hepatobiliary injury than conventional clinical chemistry parameters, such as ALP, ALT and AST. Although thiostatin, an acute phase protein expressed in a range of tissues, may not be specific for liver injury, our results indicate that thiostatin may serve as a sensitive, minimally-invasive diagnostic marker of inflammation and tissue damage in preclinical safety assessment. In the second part of this work, combined application of genomics profiling technology and RNAi to inhibit the pharmacological target of a drug candidate BAY16, a glucagon receptor (GCGR) antagonist, was used to determine if interference with the pharmacological target plays a role in the toxic response to BAY16, and to narrow down those molecular changes that are associated with toxicity, and not the pharmacological action of BAY16. In contrast to Bay 16, which was found to be cytotoxic at concentrations of 75 µM, silencing of the glucagon receptor did not affect cell viability in primary rat hepatocytes. Thus, it can be concluded that hepatotoxicity of Bay 16 was not related to the drugs inhibitory effect on the glucagon receptor in vitro and in vivo. These findings were supported by the fact that most of BAY16-induced changes in gene expression occurred independently of the pharmacological modulation of GCGR. These off-target effects include altered xenobiotic metabolism, oxidative stress, increased fatty acid synthesis, and alterations in cholesterol and bile acid metabolic processes. Although it was not possible to draw a final conclusion about the mechanism of BAY16 hepatotoxicity, changes in these molecular mechanisms appear contribute to progression of hepatic injury. With regard to drug safety assessment in preclinical studies, the utilization of siRNA technology in vitro represents a new approach to improve mechanistic understanding of the nature of drug’s toxicity, being either chemically mediated or due to primary or secondary pharmacological mode of action.
KW  - Biomarker
KW  - Leber
KW  - Hepatotoxizität
KW  - Lebertoxizität
KW  - biomarker
KW  - liver
KW  - hepatotoxicity
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69512
ER  - 
TY  - THES
A1  - Simon, Karoline
T1  - Development and Evaluation of a Generic HPLC-Tandem MS Screening Method for the Detection of Potential Biomarkers for Reactive Intermediates
T1  - Entwicklung und Evaluierung einer generischen HPLC-Tandem MS Methode zur Detektion potentieller Biomarker für Reaktive Intermediate
N2  - Conjugation of reactive intermediates of drugs with proteins or DNA may result in toxic effects such as hepatotoxicity, agranulocytosis, allergies, tumors, etc. From 1975 to 1999, 2.9% of drugs were withdrawn from the market due to such severe adverse drug reactions. Thus, formation of chemically reactive intermediates is a widely discussed problem in drug development processes. Early detection of potentially toxic compounds is required for drug discovery and drug development. Conjugation of such electrophilic compounds with glutathione (GSH) is one of the most important detoxifying reactions in vivo. Processing of these GSH-conjugates ultimately leads to the formation of renally cleared mercapturic acids, which may also be oxidized to sulfoxides. Thus, mercapturic acids may be generated and detected in vitro and non-invasively in vivo in urine to assess the reactivity of a compound in early stages of drug development processes. Therefore, the aim of this work was to develop and evaluate a HPLC-MS/MS screening method for simple and rapid detection and characterization of known and unknown mercapturic acids and application of the method to several different matrices. Based on the common constant neutral loss (CNL) of 129 Da of all mercapturic acids tested (in negative ion mode), a CNL survey scan was performed using a linear ion trap instrument and was combined with two enhanced product ion (EPI) scans with different collision energies to characterize the detected signals. The CNL resulted from the cleavage between the sulfur and the carbon atom in the N-acetyl-L-cysteine moiety. After optimization of the experimental parameters, the detection limits of the reference substances in rat urine ranged from 0.3 to 15.5 pmol on column (i.e. 20 ng/ml to 800 ng/ml). For in vitro evaluation of the method, the model compounds acetaminophen, diclofenac, bifonazole, clozapine, troglitazone, carbamazepine, and bisphenol A were screened for formation of reactive intermediates and, hence, detection of the corresponding mercapturic acids. To determine possible species- and tissue-specific toxicities, the model compounds were incubated with stimulated neutrophils and with liver microsomes from rats and humans. Species-specific differences were observed in incubations of acetaminophen and diclofenac with rat and human hepatic microsomes. Tissue-specific differences in biotransformation of the model compounds in incubations with human neutrophils and human liver microsomes were observed for diclofenac, carbamazepine, clozapine, and bifonazole. The developed HPLC-MS/MS method was also evaluated in vivo by analysis of rat and human urine. Drug-related mercapturic acids were detected in urine of rats orally treated with acetaminophen (20 mg/kg and 640 mg/kg b.w.) or diclofenac (10 mg/kg and 20 mg/kg b.w.). Human urine samples were analyzed before and after oral administration of a clinically used dose of 500 mg and 50 mg of acetaminophen. Besides detection of the mercapturic acid of N-acetylbenzoquinoneimine (AAP-MA), a second mercapturic acid with m/z 327 occurred dose-dependently in rat and human urine samples after administration of acetaminophen. Further investigations on identification of this metabolite using authentic compounds and comparing their MS/MS mass spectra demonstrated oxidation of AAP-MA to stereoisomeric sulfoxides in vivo. For diclofenac, a novel mercapturic acid with m/z 441 was detected in rat urine samples that was identical to a metabolite obtained in incubations with human neutrophils before. The in vivo formation of this diclofenac metabolite is described here for the first time. In addition, three endogenously formed mercapturic acids were detected and identified. In conclusion, the results of the in vitro and in vivo evaluation demonstrate the advantages of the rapid and generic HPLC-MS/MS screening method for the detection of mercapturic acids, that can be obtained with a minimum of sample preparation and a high throughput in diverse matrices.
N2  - Konjugation reaktiver Intermediate mit Proteinen oder DNA kann zu toxischen Effekten wie Hepatotoxizität, Neutropenie, Allergien, Tumoren u.a. führen. Zwischen 1975 und 1999 wurden 2.9% der zugelassenen Arzneistoffe wegen Auftretens solcher unerwünschten, toxischen Nebenwirkungen vom Markt genommen. Daher stellen Substanzen, die reaktive Intermediate bilden können, ein großes Problem in der Arzneistoffentwicklung dar. Aus diesem Grund ist die pharmazeutische Forschungsindustrie daran interessiert, solche potenziell toxischen Substanzen bereits in frühen Phasen der Arzneistoffentwicklung zu erfassen. Elektrophile, reaktive Intermediate sind instabil und reagieren schnell mit nukleophilen Substraten. Die Konjugation reaktiver Intermediate mit Glutathion stellt hierbei einen der Hauptmechanismen der Detoxifizierung im Organismus dar. In vivo können enzymatisch geregelte Reaktionen das Glutathionaddukt abbauen und so zur Bildung renal ausscheidbarer Merkaptursäuren führen, die auch zu den entsprechenden Sulfoxiden oxidiert werden können. Man kann Merkaptursäuren aber auch direkt durch Konjugation mit N-Acetyl-L-cystein gewinnen. So können reaktive Intermediate in vitro generiert und als Merkaptursäuren detektiert und nicht-invasiv auch in vivo erfasst werden. Ziel dieser Arbeit war es, eine HPLC-MS/MS-Screening-Methode zur einfachen und schnellen Detektion und Charakterisierung von bekannten und unbekannten Merkaptursäuren als Biomarker für die Bildung reaktiver Metabolite in verschiedenen Matrices zu entwickeln und zu evaluieren. Für alle untersuchten Merkaptursäuren und deren Sulfoxide war ein Neutralverlust von 129 Da (im negativen Ionenmodus) charakteristisch. Dieser entstand durch Spaltung der Schwefel-Kohlenstoff-Bindung im Merkaptursäureanteil und diente als Basis für die Entwicklung der HPLC-MS/MS-Methode. Dafür wurde ein CNL-Scan auf 129 Da im negativen Ionenmodus durchgeführt. Der CNL-Scan konnte unter Verwendung der vorhandenen Ionenfalle mit zwei Produkt-ionen-Scans (EPI) mit unterschiedlichen Kollisionsenergien kombiniert und für eine Charakterisierung der detektierten Signale verwandt werden. Nach Optimierung der Instrument- und HPLC-Parameter wurden für die einzelnen Referenzsubstanzen Nachweisgrenzen im Bereich von 0.3 bis 15.5 pmol on column (entspricht einem Bereich von 20 ng/ml bis 800 ng/ml) in Rattenurin bestimmt. Für die In-vitro-Evaluierung der CNL-Screening-Methode wurden die Modellsubstanzen Paracetamol, Diclofenac, Troglitazon, Bifonazol, Clozapin, Carbamazepin und Bisphenol A auf die Bildung reaktiver Intermediate hin untersucht, die durch Zusatz von N-acetylcystein abgefangen wurden. Um eventuell Aufschluß über gewebe- oder speziesspezifische Toxizitäten von Arzneistoffen zu bekommen, wurden die Modellsubstanzen in stimulierten neutrophilen Granulozyten und in Ratten- und Humanlebermikrosomen inkubiert. Speziesspezifische Unterschiede in der Bildung von reaktiven Intermediaten zwischen Inkubationen mit Ratten- und Humanlebermikrosomen wurden bei Paracetamol und Diclofenac beobachtet. Organspezifische Unterschiede in der Bildung von reaktiven Intermediaten zwischen Inkubationen mit neutrophilen Granulozyten und humanen Lebermikrosomen wurden bei Diclofenac, Carbamazepin, Clozapin und Bifonazol gefunden. Die HPLC-MS/MS-Screening-Methode wurde durch Messungen von Ratten- und Humanurinproben auch in vivo evaluiert. Arzneistoffbezogene Merkaptursäuren wurden in Urinproben von Ratten gemessen, die über eine Schlundsonde Paracetamol (20 mg/kg und 640 mg/kg K.G.) bzw. Diclofenac (10 mg/kg und 20 mg/kg K.G.) zugeführt bekommen hatten. Humanurin wurde nach Gabe einer therapeutischen Dosis von 500 mg Paracetamol und einer subtherapeutischen Dosis von 50 mg analysiert. Neben der bekannten Merkaptursäure des N-acetylbenzochinonimins (NAPQI) wurde ein weiterer Metabolit (m/z 327) dosisabhängig in den Urinproben von Ratte und Mensch detektiert. Durch nähere Untersuchungen zur Identifizierung dieses Metaboliten anhand von Referenzsubstanzen und deren Massenspektren konnte nachgewiesen werden, dass das Merkapturat des NAPQI zu stereoisomeren Sulfoxiden oxidiert wurde. Bei den Diclofenac-Proben wurde zum ersten Mal ein Metabolit mit m/z 441 in Rattenurin detektiert und charakterisiert, der nur in Inkubationen mit stimulierten neutrophilen Granulozyten, jedoch nicht mit Lebermikrosomen gebildet wurde. Mit der entwickelten HPLC-MS/MS Screening Methode konnten weitere, vom Arzneistoff unabhängige Merkaptursäuren im Urin detektiert und charakterisiert werden. Schließlich zeigen die Ergebnisse zur In-vitro- und In-vivo-Evaluierung die Vorteile dieser schnellen und generischen HPLC-MS/MS-Screening-Methode zur Detektion von Merkaptursäuren, die mit minimaler Probenvorbereitung und hohem Probendurchsatz für verschiedene Matrices eingesetzt werden kann.
KW  - Acetylcysteinderivate
KW  - Reaktive Zwischenstufe
KW  - Biomarker
KW  - HPLC-MS
KW  - Merkaptursäuren
KW  - Biomarker
KW  - Massenspektrometrie
KW  - reaktive Metabolite
KW  - mercapturic acids
KW  - biomarker
KW  - mass spectrometry
KW  - reactive metabolites
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21916
ER  -