TY  - THES
A1  - Ahmed, Arabe
T1  - Assessing particle deposition in a representative in vitro model of the rat respiratory tract
T1  - Entwicklung eines in vitro Modells (IVR) der Rattenlunge für die Untersuchung der Deposition von Wirkstoffpartikeln in den Atemwegen der Ratte
N2  - The aim of this thesis was to develop an in vitro model (IVR) of the rat lung for the purpose of investigating the deposition of drug particles in the rat airways. The model attempted to account for the affect of drug product characteristics and physiological parameters on deposition in the lungs. In addition, the model outputs were compared with in vivo lung deposition results from live rats and in silico predictions using published computer model of lung deposition in pre-clinical species.  

Initial work focussed on developing an aerosol exposure system capable of dosing small rodent to a range of airborne test materials. The system consists of two main parts; a fluidised bed aerosol generator and connection of the generator output to a nose only exposure chamber capable of accommodating 12 small animals in a single layer. In addition, an aerodynamic particle spectrometer (APS) was installed for continuously measuring the size distribution and airborne concentration of aerosol particles generated in the exposure chamber. System validation showed acceptable degree of variation of the test material tested, Fluorescent Microspheres (FMS) throughout the exposure chamber (CV < 15.0%). Particle size (MMAD ± GSD) using the APS was shown to be stable throughout the exposure periods.

The IVR model developed in this project was based on a number of euthanased (n=7), female Sprague-Dawley rats (weight: 372 ± 56 g), which underwent high-resolution micro-CT scans. The physical model consisted of five sub sections; Extra-Thoracic region containing the snout and nasophyarynx, trachea-bronchial region containing the trachea, bronchi, and bronchioles. All sections of the model were attached to one another in numerical order and housed within a containment unit. At the rear end of the cast, a flexible diaphragm was attached in order to collect the fraction of inhaled particles exiting the TB section and possibly reaching the lung, referred to as the Post-TB section. 

A study was conducted to assess the influence of inhalation parameters such as the breathing frequency and tidal volume on total and regional dose distribution using FMS as test material. The major finding of this study was the demonstration of the model sensitivity to changes in breathing parameters especially respiratory frequency, where the data showed increased deposition in the peripheral regions of the model with decreased respiratory frequency. Other studies assessed the effect of particle characteristics on deposition on the IVR model, such as particle size, dose increase and formulation changes. 
The results assessing particle size effect showed a slightly higher deposition levels for the 4µm sized particles versus 2µm sized particles in the head region; 90.8 ± 3.6% and 88.2 ± 6.6%. However, this difference did not reach statistical significance (P> 0.05) probably due to the polydispersity of aerosolised FMS particles. In addition, the regional deposition analysis showed an increased lung peripheral deposition with the smaller particles. In addition, the model was shown to be sensitive to changes in formulation composition mediated by inclusion of MgSt. 

The next stage of work was to validate the model in terms of comparison with lung deposition for in vivo rats.  For lung deposition comparison, the absolute amount deposited in the IVR lung model (expressed as µg/kg) was shown to have a reasonably strong correlation with in vivo lung concentration measures (µg/kg); R2= 0.66, P < 0.05. Compounds were predicted well and within 2-folds of the measured lung deposition values. However, knowing the variability in biological systems and the multiple components required to estimate lung doses, predictions within 2-fold of the measured values would seem reasonable

In terms of comparison with in silico model predictions using MPPD, similar deposition levels were noted between the two models, particularly when the data was expressed as percentage of total particles inhaled. The data showed the highest deposition levels were noted in the head region (> 80%) and less than 5.0% deposition for the peripheral lung fractions. 

With regards to using the IVR model to assess the relationship between dose, particle size and efficacy, an in vivo study using FP with different particle sizes (2.0 and 4.0 µm) but same doses ( 100 and 1000 µg/kg).  This study demonstrated that exposure of rat to FP powder resulted in a dose-dependent inhibition of neutrophils in BAL fluids. However, a clear difference in neutrophils suppression was demonstrated for equivalent doses but different particle sizes of FP, where the smaller FP particles (2.0 µm) induced a greater level of neutrophils suppression in comparison with larger FP particles (4.0 µm). In addition, a reasonably good correlation for the relationship between lung deposition in the IVR model and a neutrophils suppression level was demonstrated. Furthermore this data support the hypothesis that regional deposition is an important determinant in efficacy. Therefore, this suggests that the IVR model may be a useful as a tool to describe in vivo efficacy with in vitro data. However, further studies should be conducted to evaluate the validity of this model and relationship.

The IVR model has a number of important limitations. First, the model is based on scans up to generation four of the rat respiratory tract as this represented the limits of the micro-CT scanning technology at the time of this study. Therefore deposition in the deeper region of the lung may not be reflected precisely in the IVR model. Second, the regional deposition data generated using the model tended to show an overestimation of deposition in head region and an underestimation of deposition in the peripheral regions of the lung, in comparison with in vivo lung deposition data. Third, the current model does not take into account lung clearance. However, the amount of the drug present in the in vivo lungs is dependent on numerous physiological processes such as dissolution, passive or active absorption into the systemic circulation, binding to lung tissue and mucociliary clearance. Consequently, the results generated using this IVR model for drug molecules with high lung clearance rate should be treated with some caution. 

Future work extending this research could go in a number of directions. In this research, a representative model of the rat respiratory tract was constructed from analysis of imaging data from a number of euthanised Sprague-Dawley rats. This model represented the “average respiratory tract” in terms of dimensions of Sprague-Dawley rats. However, there is considerable variability in the airway dimensions between rats. This variability encompasses a number of factors such as the strains of rats, sex and age, and disease state. Thus, it may be possible to produce a small number of airway models to represent small and large rats and scaled to represent the extrathoracic and peripheral regions based on literature reports of their dimensions in different rat populations. This approach will then enable the effect of intersubject airway dimensions for different rat populations on aerosol deposition to be thoroughly examined.

In addition, due to the limitation of the micro-CT technology used to construct the physical IVR model, detailed morphology only up to generation 4 were captured. However, recent advances in MRI technology, such as the use of in situ-MRI based scanning technology have enabled rat airway morphometry to be extended to 16 airway generation. This coupled with improvements in the resolutions of rapid-prototyping process means it may be possible to construct a rat model that reflects the in vivo lung morphology more accurately, and thus enable greater understanding of the link between aerosol deposition and airway geometry.  

In conclusion, a model cast of the rat lung was developed and validated to allow the deposition of inhaled particles in the rat lung to be investigated. The model may be used to estimate the lung concentration in vivo rats in preference to exposure concentration measurements based on filter samples which have been shown to be a poor indicator of the lung concentration immediately after exposure. In addition, the model has the potential to be used along with live rats in an inhalation rig in pulmonary pharmaceutics research and may facilitate in development of inhaled formulations to target specific regions within the lung as well as screening of inhaled drugs in preclinical setting.
N2  - Das Ziel dieser Arbeit war es, ein in vitro Modell (IVR) der Rattenlunge für die Untersuchung der Deposition von Wirkstoffpartikeln in den Atemwegen der Ratte zu entwickeln. Das Modell sollte dabei den Einfluss der Arzneistoffeigenschaften und physiologischer Parameter auf die pulmonale Deposition berücksichtigen. Darüber hinaus wurden die Modellergebnisse mit in vivo Daten aus Versuchen mit Ratten und in silico Vorhersagen eines etablierten Computermodells der Partikeldeposition in präklinischen Spezies verglichen.

Erste Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung eines Aerosol-Expositionssystems, das in der Lage war, kleine Nagetiere einer Reihe von inhalativ verabreichten Testmaterialien auszusetzen. Das System bestand aus zwei Hauptteilen, einem Wirbelbett-Aerosolgenerator und einer Verabreichungskammer, die eine nasale Partikelexposition und –inhalation („Nose only Inhalation“) bei 12 Kleintieren auf einer Etage ermöglichte. Darüber hinaus wurde ein aerodynamisches Partikelspektrometer (APS) zur kontinuierlichen Messung der Größenverteilung und Konzentration der erzeugten Aerosolpartikel eingebaut. Die Systemvalidierung zeigte einen akzeptablen Grad der Variabilität des Testmaterials, Fluoreszenz-Mikrosphären (FMS), in der gesamten Expositionskammer (VK < 15,0%). Es konnte gezeigt werden, dass die aerodynamische Partikelgröße (MMAD ± GSD) der APS über die Expositionszeiten konstant blieb.

Das IVR-Modell, das in diesem Projekt entwickelt wurde, basierte auf einer Anzahl euthanasierter, weiblicher Sprague-Dawley-Ratten (Gewicht: 372 ± 56 g), die hochauf¬lösenden Mikro-CT-Scans unterzogen wurden. Das physikalische Modell gliederte sich in fünf Teilabschnitte, dem extrathorakalen Bereich bestehend aus der Schnauze und dem Nasopharynx, und dem tracheo-bronchialen Bereich (TB), der die Luftröhre, Bronchien und Bronchiolen umfasste. Alle Abschnitte des Modells wurden miteinander in numerische Reihenfolge gebracht und innerhalb einer Behältereinheit untergebracht. Am hinteren Ende des Gusses wurde eine flexible Membran angebracht, um den Anteil der inhalierten Partikel, der den TB-Abschnitt verlässt und möglicherweise die Lunge erreicht, zu sammeln. Dieses wurde als Post-TB-Anteil bezeichnet.

Eine Untersuchung sollte zeigen, welchen Einfluss Inhalationsparameter wie die Atem¬frequenz und –volumen auf die gesamte und regionale Dosisverteilung der FMS als Test¬material hatten. Das wichtigste Ergebnis dieser Studie war der Nachweis, dass das Modell empfindlich gegenüber Änderungen in der Respirationsparameter, vor allem der Atem¬frequenz, war. 

Die Daten zeigten, dass es unter verminderter Atemfrequenz zu einer verstärkten Partikeldeposition in den peripheren Modellbereichen kam. In weiteren Versuchsansätzen wurden die Wirkung von Partikeleigenschaften, wie Partikelgröße, Dosiserhöhung und Formulierungsänderungen auf die Deposition in dem IVR-Modell ermittelt.

Die Ergebnisse der Untersuchung des Partikelgrößeneffektes zeigten eine etwas höhere Deposition der 4 µm großen Partikel, verglichen mit den 2 µm Partikeln, im Kopfbereich, 90,8 ± 3,6% bzw. 88,2 ± 6,6%. Allerdings war dieser Unterschied statistisch nicht signifikant (P > 0,05), wahrscheinlich aufgrund der Polydispersität der FMS-Aerosolpartikel. Darüber hinaus zeigte die Analyse der regionalen Verteilung eine erhöhte periphere Lungendeposition bei kleineren Partikeln. Zudem war das Modell empfindlich gegenüber Veränderungen in der Formulierungszusammensetzung durch Zugabe von Magnesium¬stearat.

In nächsten Schritt sollte das Modell in Bezug auf den Vergleich mit der Lungendeposition bei Ratten in vivo validiert werden. Es zeigte sich, dass die absolut im IVR-Lungenmodell deponierte Menge (ausgedrückt in µg/kg) eine annehmbar starke Korrelation mit in vivo Daten (µg/kg) aufwies; R2 = 0,66, p < 0,05. Substanzen konnten gut innerhalb des 2-fachen Bereiches der gemessenen Lungendepositionsrate vorhergesagt werden. Angesichts der bekannt hohen Variabilität in biologischen Systemen und der Komplexität der Schätzung der Lungendeposition erscheinen Schwankungen der Vorhersagen innerhalb des 2-fachen Bereiches der tatsächlichen Werte akzeptabel.

Der Vergleich der in silico Vorhersagen mit den IVR-Resultaten zeigte ähnliche Depositions¬raten in beiden Modellen, insbesondere dann, wenn die Daten als Prozentsatz der insgesamt inhalierten Partikel ausgedrückt wurden. Die höchste Deposition fand im Kopfbereich (> 80%) statt und weniger als 5,0 % der Partikel erreichte den peripheren Lungenbereich.

Das IVR-Modell wurde nachfolgend auch in einer in vivo Studie mit Fluticasonpropionat (FP) eingesetzt, um die Beziehung zwischen der Dosis, Partikelgröße und Wirksamkeit unterschiedlicher Teilchengrößen (2,0 und 4,0 µm) bei gleichen Dosen (100 und 1000 µg/kg) zu beurteilen. Diese Studie zeigte eine dosisabhängige Hemmung der Neutrophilen in der bronchoalveolären Lavage. Es wurde jedoch ein deutlicher Unterschied in der Neutrophilensuppression unter äquivalenten Dosen unterschiedlicher Partikelgrößen beobachtet. Kleinere Partikel (2,0 µm) von FP hemmten die Neutrophilen stärker als die größeren FP-Partikel (4,0 µm). Darüber hinaus konnte eine recht gute Korrelation zwischen der Lungendepositionsrate im IVR-Modell und der Neutrophilensuppression gezeigt werden.
 Diese Daten unterstützen die Hypothese, dass die regionale Deposition eine wichtige Determinante der Wirksamkeit ist. Die Ergebnisse legen die mögliche Eignung des IVR-Modells als Hilfsmittel zur Beschreibung der in vivo Effektivität, ausgehend von in vitro Daten, nahe. Allerdings sollten weitere Studien durchgeführt werden, um die Valididtät dieses Modells und der gefundenen Beziehung zu bestätigen. Das IVR-Modell hat eine Reihe von wichtigen Einschränkungen. Erstens basiert das Modell auf Scans lediglich bis zu vierten Generation der Atemwege, was zum Zeitpunkt dieser Studie die Grenze der Mikro-CT-Scan-Technik darstellte. Daher wird in dem IVR-Modell eine Deposition in tieferen Bereichen der Lunge nicht präzise beschrieben. Zweitens zeigten die regionalen Depositionsdaten, die unter Verwendung des Modells ermittelt wurden, im Vergleich zu in vivo Ergebnissen eine Überschätzung der Deposition im Kopfbereich und eine Unterschätzung der Deposition in den peripheren Regionen der Lunge. Drittens berücksichtigt das Modell nicht die Clearance des Arzneistoffes.

Die Arzneistoffkonzentration in der Lunge hängt in vivo von zahlreichen physiologischen Prozessen ab, wie Auflösung, aktive und passive Absorption in den systemischen Kreislauf, die Bindung an das Lungengewebe und mukoziliäre Clearance. Daher sollten die Ergebnisse, die unter Verwendung dieses IVR-Modells gewonnen werden, für Wirkstoff¬moleküle mit hoher Clearance-Rate mit einer gewissen Vorsicht behandelt werden.

Zukünftige weiterführende Arbeiten könnten in eine Reihe von Richtungen gehen. In der vorliegenden Untersuchung wurde ein repräsentatives Modell des Rattenrespirationstraktes aus der Analyse der Bilddaten mehrerer anästhesierter Sprague-Dawley-Ratten erstellt. Dieses Modell repräsentiert die "durchschnittlichen Atemwege " in Bezug auf Abmessungen der Sprague-Dawley-Ratten. Es gibt jedoch eine beträchtliche Variabilität basierend auf einer Reihe von Faktoren wie den Rattenstamm, Geschlecht, Alter und Krankheitszustand. Es wäre möglich, mehrere verschiedene Atemwegsmodelle zu erstellen, um kleine und große Ratten zu repräsentieren. Es könnten, basierend auf Literaturangaben, die extra¬thorakalen und peripheren Regionen in ihren Abmessungen skaliert werden, um verschiedenen Rattenpopulationen zu repräsentieren. Dieser Ansatz würde dann die detaillierte Untersuchung des Einflusses interindividueller Unterschiede der Atemwegs¬dimensionen verschiedener Rattenpopulationen auf die Aerosoldeposition ermöglichen.






Aufgrund der Beschränkung der Mikro-CT-Technologie, die eingesetzt wurde, um das IVR-Modell zu erstellen, konnte eine detaillierte Morphologie nur bis zur vierten Atemwegs¬generation abgebildet werden. Jüngste Fortschritte in der MRI-Technologie, wie die in situ MRI-Scan-Technologie, ermöglichen die Erfassung der Atemwegsmorphometrie bis zu 16 Atemwegsgenerationen. Dieser Ansatz, in Verbindung mit Verbesserungen in den räumlichen Auflösungen der „Rapid-Prototyping“-Verfahren, könnte die Konstruktion eines Rattenmodells ermöglichen, das die in vivo Lungenmorphologie genauer widerspiegelt, und so zu einem besseren Verständnis für den Zusammenhang zwischen Aerosoldeposition und Atemwegsgeometrie führen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der vorliegenden Arbeit ein Modellguss der Rattenlunge entwickelt und validiert wurde, um die Untersuchung der Deposition von inhalierten Partikel in der Rattenlunge zu ermöglichen. Das Modell kann verwendet werden, um die in vivo Lungenkonzentrationen von Arzneistoffen in Ratten abzuschätzen. Es bietet Vorteile gegenüber der Expositionsabschätzung auf der Basis von Filterproben, die ein schlechter Indikator der Lungenkonzentrationen unmittelbar nach der Exposition sind. Darüber hinaus hat das Modell das Potenzial, zusammen mit lebenden Ratten in einer Inhalationskammer in der Forschung verwendet zu werden und könnte in der Entwicklung von inhalativen Formulierungen erleichtern, die in bestimmten Regionen innerhalb der Lunge deponiert werden sollen. Darüber hinaus ermöglicht das Modell ein Screening inhalativ verabreichter Arzneistoffe in der präklinischen Phase.
KW  - In vitro rat
KW  - Ratte
KW  - in silico models
KW  - lung
KW  - deposition
KW  - Atemwege
KW  - In vitro
KW  - Wirkstoff
KW  - Inhalation
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-104912
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gnadt, Mirjam
T1  - Pharmacokinetic and pharmacodynamic characterization of inhaled β2 - agonists using the isolated human lung perfusion model
T1  - Pharmakokinetische und pharmakodynamische Charakterisierung inhalativer β2 - Agonisten anhand des isolierten humanen Lungenperfusionsmodells
N2  - The inhaled pharmacotherapy is fundamental in the management of obstructive lung diseases such as asthma bronchiale or chronic obstructive pulmonary disease. In this context short- and long-acting β2-agonists play a prominent role as relieve and control medication. Regarding the risk-benefit profile of an inhaled drug, the pattern of pulmonary deposition and the rate and extent of absorption into systemic circulation are essential parameters. New developments of drugs are characterized by high lung retention and improved efficacy. The aim of the present thesis was the parallel evaluation the pharmacokinetic (PK) and -dynamic (PD) properties of inhaled β2-agonists employing an isolated human lung perfusion model (IPL). The short-acting β2-agonist salbutamol and the newly developed ultra long-acting β2-agonist GW597901 were chosen for the analysis of pulmonary drug absorption and bronchodilation. In a pharmacokinetic enabling study an established human IPL setting was modified to monitor the pharmacokinetics of the β2-agonists by measuring the concentrations in perfusion fluid, lung tissue and BAL samples obtained during and after the experiments. The IPL model revealed differences in the pulmonary absorption behaviour of GW597901 and salbutamol. The lipophilic compound GW597901 was distributed to a lower extent into the perfusion fluid compared to the more hydrophilic compound salbutamol. The analyzed time profiles of nebulized salbutamol in the perfusate were consistent to with a clinical study if considering experimental conditions as the actual deposited doses and the differing volume of distribution. Thus, the suitability of the IPL model for the PK analysis of inhaled β2-agonists was confirmed. In a PK/PD study the human ex vivo model was employed for the first time for the evaluation of the clinical relevant bronchodilating effect induced by inhaled β2-agonists in addition to the analysis of their pharmacokinetics. Thereby the focus was to determine the onset and extent of bronchodilation. A new method was established to monitor changes in lung function parameters due to pharmacodynamic interventions over the duration of the experiment that allowed permanent online recording of the ventilation volume and lung mechanic parameters. Bronchial challenges with aerolised MCh were performed successfully in isolated ventilated human lung lobes, even though the responder rate was lower than expected despite high administered doses. The administration of the short acting agent salbutamol led to an immediate onset of action recognized as a sudden increase of the ventilation volumes. The bronchodilation following the application of GW597901 was observed delayed after about 6 min. Monitored lung function parameters considerably improved by both β2 - agonists in the IPL setting but not significantly different. Thus, in regard of the different applied doses GW597901 had a higher intrinsic activity and bronchodilating potency than salbutamol. The concentrations of salbutamol and GW597901 in the perfusate determined in the PK/PD study were significantly lower than those observed in the pharmacokinetic enabling study, while the tmax values and the course of the distribution profiles remained similar. Most likely, the application of nebulized MCh prior to the administration of the β2 - agonists had a substantial influence on their pharmacokinetic behaviour. It is yet not clear whether pharmacodynamic effects or molecular competition processes for the passage to the systemic circulation or both influenced the redistribution of the β2 - agonists as seen in the PK/PD study. The potential clinical relevance of this observation has to be further investigated. The development of pulmonary edema during the experiment was one limitation of the IPL model. For the determination of the onset of edema formation four potential biochemical markers, specifically surfactant-protein A (SP-A), angiotensin-converting enzyme (ACE), urea and lactate dehydrogenase, were measured in perfusion fluids. In this context, an ELISA method for the quantification of human SP-A in biological matrices was successfully established. The investigations showed that the concentrations of SP-A and ACE in the perfusate increased over time as a sign for lung tissue damage and correlated with the degree of edema formation. For the first time the IPL model was used for the evaluation of potential pulmonary edema marker and the results have shown that it is valuable tool for further investigations in this field. In conclusion, the pharmacokinetic and pharmacodynamic characterization of GW597901 and salbutamol was successfully achieved using the IPL model. This ex vivo methodology may contribute to further insights and understanding of the complex pharmacokinetic processes of inhaled β2 – agonists in the lung.
N2  - Die Inhalationstherapie stellt den grundlegenden Baustein in der Behandlung obstruktiver Lungenerkrankungen wie Asthma bronchiale oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankung dar. Eine essentielle Rolle spielen dabei kurz- und langwirksame β2 – Agonisten, die sowohl als Bedarfs- und Kontrollmedikation eingesetzt werden. Bei Betrachtung des Nutzen-Risiko-Verhältnisses eines inhalativen Arzneistoffes sind das pulmonale Depositionsmuster und die Geschwindigkeit und das Ausmaß, mit welcher der Arzneistoff in die systemische Zirkulation gelangt, von zentraler Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung pharmakokinetischer (PK) und -dynamischer (PD) Eigenschaften inhalativer β2 – Agonisten anhand des isolierten humanen Lungenperfusionsmodells (IPL). Der kurzwirksame β2 – Agonist Salbutamol und der neue langwirksame Vertreter GW597901 dienten dabei als Modellsubstanzen für die Analyse der pulmonalen Absorption und den Effekt der Bronchodilatation. In einer ersten Versuchsreihe wurde das etablierte IPL Modell derart modifiziert, um mittels gemessener Konzentrationen in der Perfusions- und Lavageflüssigkeit sowie in Lungengewebsproben die Pharmakokinetik von β2 – Agonisten zu bestimmen. Das IPL Modell zeigte Unterschiede im pulmonalen Absorptionsverhalten von GW597901 und Salbutamol. Der lipophile Vertreter GW597901 wurde in geringerem Ausmaß in die Perfusionsflüssikeit umverteilt als das hydrophile Salbutamol. Das analysierte Absorptionsprofil von Salbutamol korrelierte dabei sehr gut mit Daten einer Humanstudie, wenn man die experimentellen Bedingungen wie die tatsächlich deponierte Dosis und das abweichende Verteilungsvolumen berücksichtigte. Dadurch war die Eignung des IPL Modells zur PK Analyse inhalativer β2 – Agonisten bestätigt. Zusätzlich zur Betrachtung der PK wurde das humane IPL Modell nun zum ersten Mal zur Untersuchung des klinisch relevanten Effekts der Bronchdilatation der β2 – Agonisten herangezogen. Dabei sollten vor allem der Beginn und das Ausmaß der induzierten Bronchodilatation bestimmt werden. Es konnte erfolgreich eine neue Methode etabliert werden, die es erlaubte durch permanente online Aufzeichnung von Ventilationsparameter Änderungen in der Lungenfunktion darzustellen, die durch pharmakodynamische Interventionen ausgelöst wurden. Erstmals wurde erfolgreich eine bronchiale Provokation an einem ex vivo ventilierten humanen Lungenlappen durchgeführt. Jedoch war trotz hoher verabreichter MCh Dosen die Responderrate niedriger als erwartet. Die Applikation des kurzwirksamen Vertreters Salbutamol führte zu einem sofortigen Effekt. Der Wirkeintritt der Bronchodilatation verursacht durch GW597901 war hingegen um ungefähr 6 Minuten verzögert. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen verabreichten Dosen zeigen diese Ergebnisse eine höhere intrinsische Aktivität und atemwegserweiternde Wirksamkeit von GW597901 im Vergleich zu Salbutamol. Die analysierten Konzentrationen von GW597901 und Salbutamol im Perfusat waren in der PK/PD Studie signifikant niedriger als diejenigen, die in der vorherigen PK Versuchsreihe gemessen wurden, während die jeweiligen Tmax Werte und Umverteilungsprofile unverändert blieben. Die wahrscheinlichste Erklärung hierfür ist, dass die Applikation von MCh vor der Vernebelung der β2 – Agonisten einen erheblichen Einfluß auf deren pharmakokinetischen Verhalten hatte. Gegenwärtig kann nicht mit Sicherheit eine Aussage darüber getroffen werden, ob pharmakodynamische Effekte, Konkurrenzmechanismen um die Aufnahme in den systemischen Kreislauf auf molekularer Ebene oder beides zu einem veränderten Umverteilungsverhalten der β2 – Agonisten in der PK/PD Studie geführt haben. Die Entwicklung von Lungenödemen im Verlauf der Experimente war eine Einschränkung des IPL Modells. Um den Beginn einer Ödembildung besser bestimmen zu können, wurden vier potenzielle biochemische Marker in Perfusatproben untersucht, das Surfactant Protein-A (SP-A), das Angiotensin-konvertierende Enzym (ACE), Harnstoff und das Enzym Lactatdehydrogenase (LDH). Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Konzentrationen von SP-A und ACE im Perfusat über die Zeit als Anzeichen für eine Lungengewebsschädigung in Korrelation zum Ausmaß der Ödembildung anstiegen. Zum ersten Mal wurde das IPL Modell für die Bestimmung von biologischen Markern für pulmonale Ödementstehung herangezogen und die Ergebnisse haben gezeigt, dass dieses ex vivo Modell einen vielversprechenden Ansatz für weitere Untersuchungen in diesem Bereich bietet. Damit konnten erfolgreich Methoden entwickelt werden, um mit Hilfe des humanen IPL Modells die pharmakokinetischen und -dynamischen Eigenschaften von GW597901 und Salbutamol zu charakterisieren. Die angewandte ex vivo Methodik kann hierbei einen wertvollen Beitrag und weiterführende Erkenntnisse zum besseren Verständnis der komplexen pharmakokinetischen Vorgänge inhalativer β2 – Agonisten leisten.
KW  - Beta-2-Rezeptor
KW  - Agonist
KW  - Inhalation
KW  - Pharmakokinetik
KW  - Pharmakodynamik
KW  - β2 - Agonisten
KW  - ex vivo Modell
KW  - Lungenperfusionsmodell
KW  - Pharmacokinetic
KW  - pharmacodynamic
KW  - β2 - agonist
KW  - lung perfusion model
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53910
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schuster, Paul Xaver
T1  - Biotransformation of trans-1,1,1,3-tetrafluoropropene, 2,3,3,3-tetrafluoropropene and 1,2,3,3,3-pentafluoropropene
T1  - Biotransformation von trans-1,1,1,3-Tetrafluorpropen, 2,3,3,3-Tetrafluorpropen und 1,2,3,3,3-Pentafluorpropen
N2  - trans-1,1,1,3-Tetrafluoropropene (HFO-1234ze) and 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234yf) are non-ozone-depleting fluorocarbon replacements with low global warming potentials and short atmospheric lifetimes. They are developed as foam blowing agent and refrigerant, respectively. Investigations on biotransformation in different test species and in vitro systems are required to assess possible health risks of human exposure and needed for commercial development. The biotransformation of HFO-1234ze and HFO-1234yf was therefore investigated after inhalation exposure. Male Sprague-Dawley rats were exposed to air containing 2 000; 10,000; or 50,000 ppm (n=5/concentration) HFO-1234ze or HFO-1234yf. Male B6C3F1 mice were only exposed to 50,000 ppm HFO-1234ze or HFO-1234yf. Due to lethality observed in a developmental study with rabbits after exposure to high concentrations of HFO-1234yf, the metabolic fate of the compound was tested by whole body inhalation exposure of female New Zealand White rabbits to air containing 2 000; 10,000; or 50,000 ppm (n=3/concentration) HFO-1234yf. All inhalation exposures were conducted for 6 h in a dynamic exposure chamber. After the end of the exposures, animals were individually housed in metabolic cages and urines were collected at 6 or 12 h intervals for 48 h (rats and mice) or 60 h (rabbits). For metabolite identification, urine samples were analyzed by 1H-coupled and 1H-decoupled 19F-NMR and by LC/MS-MS or GC/MS. Metabolites were identified by 19F-NMR chemical shifts, signal multiplicity, 1H-19F coupling constants and by comparison with synthetic reference compounds. Biotransformation of HFO-1234ze in rats exposed to 50,000 ppm yielded S-(3,3,3-trifluoro-trans-propenyl)mercaptolactic acid as the predominant metabolite which accounted for 66% of all integrated 19F-NMR signals in urines. No 19F-NMR signals were found in spectra of rat urine samples collected after inhalation exposure to 2 000 or 10,000 ppm HFO-1234ze likely due to insufficient sensitivity. S-(3,3,3-Trifluoro-trans-propenyl)-L-cysteine, N-acetyl-S-(3,3,3-trifluoro-trans-propenyl)-L-cysteine, 3,3,3-trifluoropropionic acid and 3,3,3-trifluorolactic acid were also present as metabolites in urine samples of rats and mice at the 50,000 ppm level. A presumed amino acid conjugate of 3,3,3-trifluoropropionic acid was the major metabolite of HFO-1234ze in urine samples of mice exposed to 50,000 ppm and related to 18% of total integrated 19F-NMR signals. Quantitation of three metabolites in urines of rats and mice was performed, using LC/MS-MS or GC/MS. The quantified amounts of the metabolites excreted with urine in both mice and rats, suggest only a low extent (<<1% of dose received) of biotransformation of HFO-1234ze and 95% of all metabolites were excreted within 18 h after the end of the exposures (t1/2 approx. 6 h). Due to its low boiling point of &#8722;22 °C, most of the inhaled HFO-1234ze is expected to be readily exhaled. Moreover, steric and electronic factors may decrease the reactivity of the parent compound with soft nucleophiles such as glutathione. The obtained results suggest that HFO-1234ze is subjected to an addition-elimination reaction with glutathione and to a cytochrome P450-mediated epoxidation at low rates. The extent of a direct addition reaction of HFO-1234ze with glutathione is negligible, compared to that of the observed addition-elimination reaction. The results of in vivo testing of HFO-1234ze could not be supported by in vitro investigations, since HFO-1234ze was not metabolized in incubations with either liver microsomes or subcellular fractions from rat and human. Regarding the structures delineated in the biotransformation scheme of HFO-1234ze, 1,1,1,3-tetrafluoroepoxypropane and 3,3,3-trifluoropropionic acid are toxic intermediates which, however, are not supposed to display toxicity in the species after exposure to HFO-1234ze, due to the low extent of formation and an efficient detoxification of the epoxide by hydrolysis and glutathione conjugation. The findings of biotransformation of HFO-1234ze in rats and mice correlate with the absence of adverse effects in the toxicity testings and indicate their innocuousness to a human exposure. Biotransformation of HFO-1234yf yielded N-acetyl-S-(3,3,3-trifluoro-2-hydroxypropanyl)-L-cysteine as predominat metabolite which accounted for approx. 44, 90 and 32% (50,000 ppm) of total 19F-NMR signal intensities in urine samples from rabbits, rats and mice, respectively. S-(3,3,3-Trifluoro-2-hydroxypropanyl)mercaptolactic acid and the sulfoxides of mercapturic acid and mercaptolactic acid S-conjugate were identified as minor metabolites of HFO-1234yf in urine samples from rabbits, rats and mice, whereas trifluoroacetic acid, 3,3,3-trifluorolactic acid and 3,3,3-trifluoro-1-hydroxyacetone were present as minor metabolites only in urine samples from rats and mice. The absence of these metabolites in rabbit urine samples...
N2  - trans-1,1,1,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234ze) und 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234yf) sind FKW-Ersatzstoffe, die eine kurze atmosphärische Lebensdauer besitzen und weder die Ozonschicht beeinträchtigen noch wesentlich zur globalen Erwärmung beitragen. Sie werden derzeit als Treibmittel für Schäume beziehungsweise als Kühlmittel entwickelt. Untersuchungen der Biotransformation in verschiedenen Tierspezies und in in vitro Systemen tragen zur Risikobewertung einer Humanexposition bei und werden für die kommerzielle Entwicklung benötigt. In dieser Arbeit wurde die Biotransformation von HFO-1234ze und HFO-1234yf nach inhalativer Exposition untersucht. Männliche Sprague-Dawley Ratten wurden Luftkonzentrationen von 2.000, 10.000 und 50.000 ppm (n=5/Konzentration) ausgesetzt. Männliche B6C3F1 Mäuse wurden dagegen nur einer Konzentration von 50.000 ppm ausgesetzt. Aufgrund von Todesfällen in einer Entwicklungstoxizitätsstudie mit Kaninchen wurde in dieser Arbeit auch die Biotransformation von HFO-1234yf in weiblichen Kaninchen mit Konzentrationen von 2.000, 10.000 und 50.000 ppm untersucht. Alle Inhalationen dauerten 6 Stunden und fanden in einem dynamisch durchströmten Expositionssystem statt. Nach Ende der Inhalationen wurden die Versuchstiere individuell in Stoffwechselkäfigen untergebracht und ihre Urine in 6 bzw. 12 h Intervallen gesammelt (insgesamt 48 h bei Ratten und Mäusen bzw. 60 h bei Kaninchen). Zur Identifizierung der Metabolite von HFO-1234ze und HFO-1234yf in den Urinen wurden 1H-ge- und entkoppelte 19F-NMR-Spektren aufgezeichnet und massenspektrometrische Untersuchungen mittels LC/MS-MS oder GC/MS durchgeführt. Die Metaboliten wurden anhand ihrer 19F-NMR-Charakteristika (Chemische Verschiebung, Signalmultiplizität und 1H-19F Kopplungskonstante) und durch Vergleich mit ihren synthetischen Referenzverbindungen identifiziert. In Ratten, die einer Konzentration von 50.000 ppm HFO-1234ze ausgesetzt worden waren, konnte S-(3,3,3-Trifluor-trans-propenyl)merkaptolaktat als Hauptmetabolit nachgewiesen werden. Er machte 66% aller integrierten 19F-NMR-Signale aus. In 19F-NMR-Spektren von Rattenurinen der 2.000 und 10.000 ppm Expositionen konnten dagegen keine Signale detektiert werden, wahrscheinlich wegen unzureichender Empfindlichkeit der 19F-NMR-Messungen. Als Nebenprodukte von HFO-1234ze in Ratten- und Mäuseurinen wurden S-(3,3,3-Trifluor-trans-propenyl)-L-cystein, N-Acetyl-S-(3,3,3-trifluor-trans-propenyl)-L-cystein, 3,3,3-Trifluorpropion-säure und 3,3,3-Trifluorlaktat nachgewiesen. In Mäuseurinen war der Hauptmetabolit von HFO-1234ze ein vermutetes Aminosäurekonjugat von 3,3,3-Trifluorpropion-säure, auf das 18% aller integrierten 19F-NMR Signalintensitäten entfielen. In den Urinen von Ratten und Mäusen wurden 3 Metabolite mittels LC/MS-MS oder GC/MS quantifiziert. Die ermittelten Mengen weisen auf eine sehr niedrige Biotransformationsrate von HFO-1234ze hin (<<1% der verabreichten Dosis). 95% aller Metabolite wurden innerhalb von 18 h nach Ende der Inhalationen ausgeschieden (t1/2 ca. 6 h). Aufgrund des niedrigen Siedepunkts von &#8722;22°C wird ein Großteil des aufgenommen Gases möglicherweise rasch wieder exhaliert, und sterische sowie elektronische Faktoren könnten die Reaktivität der Ausgangsverbindung mit schwachen Nukleophilen wie Glutathion senken. Die vorliegenden Ergebnisse legen nahe, dass HFO-1234ze in geringem Ausmaß durch Additions-Eliminations Reaktion mit Glutathion und einer CYP450-vermittelten Epoxidierung biotransformiert wird. Das Ausmaß einer direkten Additions Reaktion von HFO-1234ze mit Glutathion ist verglichen mit der vorherrschenden Additions-Eliminations Reaktion vernachlässigbar. Da kein Umsatz von HFO-1234ze in Inkubationen mit Rettenlebermikrosomen oder subzellulären Fraktionen von Human- und Rattenleber stattfand, konnten die in vivo Ergebnisse dieser Arbeit nicht mit in vitro Untersuchungen verglichen werden. Im Biotransformationsschema von HFO-1234ze sind 1,1,1,3-Tetrafluorepoxypropan und 3,3,3-Trifluorpropionsäure toxische Intermediate, die jedoch aufgrund der geringen gebildeten Mengen und einer effektiven Entgiftung des Epoxids durch Glutathionkonjugation keine toxischen Effekte in den verwendeten Tierspezies auslösten. Die Ergebnisse der Untersuchung der Biotransformation von HFO-1234ze in Ratten und Mäusen korrelieren mit der Abwesenheit nachteiliger Effekte in den Toxizitätsstudien und lassen eine Humanexposition gegenüber HFO-1234ze als unbedenklich erscheinen. Bei der Biotransformation von HFO-1234yf entstand N-Acetyl-S-(3,3,3-trifluor-2-hydroxypropanyl)-L-cystein...
KW  - Biotransformation
KW  - fluorocarbons
KW  - trans-1
KW  - 1
KW  - 1
KW  - 3
KW  - tetrafluoropropene
KW  - 2
KW  - 3
KW  - 3
KW  - 3-tetrafluoropropene
KW  - 1
KW  - 2
KW  - 3
KW  - 3
KW  - 3-pentafluoropropene
KW  - metabolites
KW  - Merkaptursäure
KW  - Merkaptolaktat
KW  - Glutathion S-Konjugat
KW  - Toxizität
KW  - Inhalation
KW  - mercapturic acid
KW  - mercaptolactic acid
KW  - glutathion S-conjugate
KW  - toxicity
KW  - inhalation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-43716
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Baertsch, A.
A1  - Lutz, Werner K.
A1  - Schlatter, C.
T1  - Effect of inhalation exposure regimen on DNA binding potency of 1,2-dichloroethane in the rat
N2  - 1 ,2-Dichloroethane (DCE) was reported to be carcinogenic in rats in a long-tenn bioassay using gavage in com oil (24 and 48 mg/kg/day), but not by inhalation (up to 150-250 ppm, 7 h/day, 5 days/week). The daily dose metabolized was similar in the two experiments. In order to address this discrepancy, the genotoxicity of DCE was investigated in vivo under different exposure conditions. Fernale F-344 rats (183-188 g) were exposed to [1,2-14C]DCE in a closed inhalation chamber to either a low, constant concentration (0.3 mg/l = 80 ppm for 4 h) or to a peak concentration (up to 18 mg/1 = 4400 ppm) for a few minutes. After 12 h in the chamber, the dose metabolized under the two conditions was 34 mg/kg and 140 mg/k:g. DNA was isolated from liver and lung and was purified to constant specific radioactivity. DNA was enzymaticaBy hydrolyzed to the 3' -nucleotides which were separated by reverse phase HPLC. Most radioactivity eluted without detectable or with little optical density' indicating that the major part of the DNA radioactivity was due to covalent binding of the test compound. The Ievel of DNA adducts was expressed in the dose-nonnalized units ofthe Covalent Binding Index, CBI = f.Lmol adduct per mol DNA nucleotide/ mmol DCE per kg body wt. In liver DNA, the different exposure regimens resulted in markedly different CBI values of 1.8 and 69, for "constant-low" and ''peak" DCE exposure Ievels. In the Jung, the respective values were 0.9 and 31. It is concluded that the DNA darnage by DCE depends upon the concentration-time profile and that the carcinogenic potency determined in the gavage study should not be used for low-Ievel inhalation exposure.
KW  - Toxikologie
KW  - 1
KW  - 2-Dichloroethane
KW  - Carcinogens
KW  - DNA
KW  - binding
KW  - Rat
KW  - Inhalation
KW  - Dose response
Y1  - 1991
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60743
ER  -