Metabolism of quinoline 3-carboxamide compounds, a group of synthetic immunomodulators, in various species

Abstract

Cytochrome P450 (CYP) is involved in the metabolism of the majority of clinically used drugs. We have studied the CYP mediated metabolism of quinoline 3-carboxamides, a group of synthetic immunomodulators in liver microsomal preparations from various species. Roquinimex, the lead compound, was found to be metabolised by CYPs to hydroxylated and demethylated metabolites. A similar metabolite pattern was demonstrated in liver microsomes from species used for the pharmacological and toxicological evaluation as well as from man. In human enzymatic systems, CYP3A4 was determined to catalyse the primary metabolism. When projecting in vitro metabolism data to in vivo pharmacokinetics a good correlation was obtained. Thus, the CYP metabolism seems to be a major determinant of the pharmacokinetics of roquinimex in vivo. Metabolism and pharmacokinetics of 5-substituted quinoline based compounds have been evaluated. Generally similar metabolite patterns were formed in different species. Introduction of a substituent in the 5-position seemed to affect the metabolite pattern e.g. a preference for dealkylation at the carboxamide position as compared to roquinimex. Replacing the methyl at the carboxamide position with an ethyl group results in pronounced hydroxylation in the quinoline moiety. The enzyme kinetics was affected by introduction of an ethyl group; lower KM values, higher CLInt , and higher clearance was determined both in vitro and in vivo. When comparing metabolism data with in vivo pharmacokinetics in the mouse, a relationship between systemic exposure of parent compound and disease inhibitory effects was seen. We show that laquinimod, currently in phase II clinical trials, is metabolised by CYP3A4 and potent CYP3A4 inhibitors such as ketoconazole may affect laquinimod pharmacokinetics.



Keywords: Metabolism, cytochrome P450, quinoline 3-carboxamides, enzyme kinetics, pharmacokinetics

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

SVENSK POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING (SUMMARY IN SWEDISH) Vi kommer dagligen i kontakt med kemiska ämnen av olika slag. Med till exempel mat och dryck, läkemedel, tobaksrökning och miljögifter får vi i oss ämnen som kan vara skadliga för oss. Vi är dock utrustade med ett ordentligt reningsverk, framför allt är det levern som ser till att farliga ämnen bryts ner och kan utsöndras via njurar och tarm från kroppen. Det mesta som vi får i oss når via blodet levern som är rikligt försett med proteiner så kallade enzymer som kan bryta ner främmande ämnen. Denna nedbrytning kallas metabolism och syftar till att göra ämnen så vattenlösliga att de kan utsöndras ur kroppen. Metabolism sker oftast i två steg. Först sker en så kallad fas I reaktion där en funktionell grupp kopplas på ämnet för att öka dess vattenlöslighet. Ibland är detta tillräckligt för att ämnet ska kunna utsöndras men oftare är det så att den funktionella gruppen medverkar till att ämnet kan kopplas ihop med en kroppsegen grupp som till exempel glukuronsyra, sulfat eller glutation och sen utsöndras. Det finns olika enzymer som medverkar i fas I och fas II metabolismen. Cytokrom P450 är det viktigaste fas I enzymet medan fas II metabolismen sköts av framför allt glukuronsyra-transferas, sulfatas och glutationtransferas. Läran om ett läkemedels upptag (absorption), fördelning (distribution), nedbrytning (metabolism) och utsöndring (elimination) ur kroppen kallas farmakokinetik (se Figur 9). Ett läkemedels farmakokinetiska egenskaper dvs. hur mycket tas upp i kroppen, var tar det vägen i kroppen, hur snabbt bryts det ner, vad bryts det ner till och hur det utsöndras ur kroppen har stor betydelse för en effektiv läkemedelsbehandling. Figur 9. Schematisk beskrivning av de farmakokinetiska processerna. Nedbrytning eller metabolism av läkemedel har visat sig vara väldigt viktigt både för läkemedlets effekt och eventuella biverkningar. Oftast bryts läkemedlet ner till en overksam substans som utsöndras från kroppen, men ibland bildas det aktiva metaboliter eller giftiga nedbrytningsprodukter. När man utvecklar nya läkemedel är det därför väldigt viktigt att ta reda på hur dessa bryts ner i kroppen och vad som bildas. Det är också viktigt att veta vilket enzym som deltar. Många läkemedel bryts ner via samma enzym och kan därför påverka varandras nedbrytning, vilket i sin tur kan leda till ändrad effekt eller biverkningar. Ibland bör man undvika att ta olika läkemedel samtidigt just för att för att undvika så kallad läkemedelsinteraktion. Av de enzymer som är med och bryter ner läkemedel är cytokrom P450 det allra viktigaste och också det mest studerade. Cytokrom P450 är i själva verket flera enzymer som delas in i familjer och underfamiljer. Enzymerna finns i alla hitintills studerade organismer. I människa har man hittat cytokrom P450 enzymer i flera olika organ. Störst mängd finns i levern, men även organ som tarm, njurar, lungor, hud och hjärna innehåller vissa former av enzymet. Kinolin 3-karboxamider är en grupp av läkemedelssubstanser som har visat sig vara effektiva vid en rad olika sjukdomstillstånd. Roquinimex (Linomide, ABR-212616, se Figur 10) har visat mycket goda effekter på sjukdomsförloppet i olika experimentella modeller för autoimmunitet och cancer. Roquinimex har också studerats i klinik och getts till patienter med cancer, diabetes, och multipel skleros (MS). Behandling av MS patienter med roquinimex visade på mycket lovande resultat då oacceptabla biverkningar gjorde att projektet stoppades. Ett stort utvecklingsarbete med syfte att finna nya kinolinbaserade substanser med förbättrade egenskaper påbörjades. I detta arbete studerades också metabolism och farmakokinetik av dessa substanser. Syftet med denna avhandling har varit att studera nedbrytningen av roquinimex och liknande substanser i så kallade in vitro system (leverpreparationer) från olika djurslag, där i bland människa. Dessutom har nedbrytningen jämförts med de farmakokinetiska egenskaperna hos substanserna. I delarbete 1 utvecklar vi ett så kallat “in vitro” system för att studera nedbrytningen av roquinimex. Roquinimex metaboliseras huvudsakligen av cytokrom P450 i leverpreparationer från både mus och råtta Dessa djurslag har använts för den farmakologiska och toxikologiska utvärderingen av roquinimex. Samma metaboliter bildas i båda djurslagen. Framför allt är det hydroxylerade och demetylerade metaboliter av roquinimex som bildas. Musen är jämfört med råttan mycket snabbare på att bryta ner roquinimex och nerbrytningen som sker i levern går ungefär 10 gånger fortare i mus än i råtta. Farmakokinetiska försök i mus och råtta visar att roquinimex bryts ner och utsöndras långsamt i båda djurslagen. Musen är dock jämfört med råttan betydligt snabbare och roquinimex utsöndras ungefär 7 gånger fortare i mus jämfört med råtta, vilket stämmer väl med de resultat vi fått i in vitro försöken. I delarbete 2 kartläggs metabolismen av roquinimex i humana in vitro system. Roquinimex metaboliseras till samma produkter i människa som i de tidigare studerade djurslagen. För att ytterligare karakterisera metabolismen av roquinimex i människa bestäms enzymkinetik för alla metaboliterna. Enzymkinetik kan användas för att prediktera farmakokinetik i människa. Roquinimex metaboliseras långsamt och när vi jämför enzymkinetik i vårt in vitro system med farmakokinetik från kliniska studier i friska frivilliga eller patienter så får vi en mycket god överensstämmelse. Genom att korrelera metabolismen av roquinimex med kända enzymaktiviteter, använda kemiska och immunologiska hämmare samt rena enzymer visar vi att P450 enzymet CYP3A4 huvudsakligen metaboliserar roquinimex i människa. CYP3A4 utgör mer än 40% av totala P450 i levern. Många andra läkemedel metaboliseras via detta enzym och det är något man måste ta hänsyn till vid sambehandling med andra läkemedel. Delarbete 3 går ut på att studera metabolismen av en grupp kinolin 3-karboxamider. Dessa substanser har fått en något ändrad kemisk struktur och är alla mer effektiva än roquinimex i experimentella sjukdomsmodeller. Metabolismen studeras i in vitro preparationer från mus, råtta, kanin och människa. De olika substanserna bryts ner långsamt och på ett liknande sätt dvs. hydroxylerade och dealkylerade metaboliter bildas. Dock är det så att vissa metaboliter dominerar i vissa djurslag. I stora drag består kinolin 3-carboxamiderna av en kinolindel och en karboxamiddel (se Figur 10). Figur 10. Kemisk struktur av roquinimex. När man för in en ny grupp i kinolindelen (klor eller metoxygrupp) ökar metabolismen i karboxamiddelen. När man å´ andra sidan byter en grupp (metyl) mot etyl i karboxamiddelen överväger metabolismen i kinolindelen. När man byter metyl mot etyl får man också en högre metabolism. Farmakokinetikförsök i mus visar att substanserna bryts ner långsamt men också på en ökad utsöndring (clearance) av substanserna med etyl i karboxamiddelen vilket stämmer överens med resultaten från in vitro försöken. Vissa av de metaboliter som bildas är också aktiva i effektmodeller. Dock bildas det väldigt lite av dessa metaboliter och när vi jämför effekt och bildning av metabolit med modersubstansernas effekt, drar vi slutsatsen att modersubstansen står för den goda effekten av dessa substanser. I delarbete 4 karakteriseras metabolismen av laquinimod, en av uppföljarna till roquinimex. Laquinimod har visats betydligt mer effektiv i experimentella modeller för MS jämfört med roquinimex och laquinimod har även studerats i MS patienter och visat på god effekt. Vi visar att laquinimod metaboliseras till hydroxylerade och demetylerade metaboliter av P450 enzymet CYP3A4 i människa. In vitro interaktionsstudier visar på en låg affinitet mellan enzym och substans, vilket minskar sannolikheten för att laquinimod kommer att konkurrera med andra läkemedel som metaboliseras via CYP3A4. Vi visar också att det finns en risk för att läkemedel som t.ex. svampmedel (ketokonazol) och vissa typer av antibiotika (erytromycin) sannolikt kan påverka metabolismen av laquinimod. Under den fortsatta kliniska utvecklingen av laquinimod kommer man därför att undvika dessa medel till dess att man studerat effekten av sammedicinering i särskilda kliniska studier. Sammantaget, visar denna studien på en mycket viktig roll för cytokrom P450 i metabolismen av kinolin 3-karboxamider. Från farmakokinetisk synvinkel verkar dessa enzymer att styra utsöndringen av substanserna. I en grupp av farmakologiskt mycket effektiva substanser visar vi ett samband mellan modersubstansens farmakokinetik och effekt. Enzymet CYP3A4 metaboliserar både roquinimex och dess uppföljare laquinimod. I den fortsatta kliniska utvecklingen av laquinimod kommer detta att beaktas för att undvika interaktion med andra läkemedel.

• author: Tuvesson, Helen
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Morgenstern, Ralf, KI, Stockholm, Sweden
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: enzymologi, Proteiner, enzymology, Proteins, Gastroenterologi, Gastro-enterology, pharmacokinetics, enzyme kinetics, quinoline 3-carboxamides, Keywords: Metabolism, cytochrome P450
• pages: 101 pages
• defense location: Segerfalksalen, Sölvegatan 17
• defense date: 2004-12-16 13:00:00
• ISBN: 91-628-6325-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Tuvesson H, Strandgården K, Nordle Ö, Gunnarsson PO, Seidegård J and Persson R (2000) Metabolism of roquinimex in mouse and rat: an in vitro/in vivo comparison. Xenobiotica 30(4):371-380 Article: II. Tuvesson H, Wienkers LC, Gunnarsson PO, Seidegård J and Persson R (2000) Identification of cytochrome P4503A as the major subfamily responsible for the metabolism of roquinimex in man. Xenobiotica 30(9):905-914 Article: III. Tuvesson H, Hallin I, Ellman M, Sparre B, Gunnarsson PO and Seidegård J (2004) In vitro metabolism and in vivo pharmacokinetics of quinoline 3-carboxamide derivatives in various species. Submitted Manuscript Article: IV. Tuvesson H, Hallin I, Persson R, Sparre B, Gunnarsson PO and Seidegård J (2004) Cytochrome P450 is the major enzyme responsible for the metabolism of laquinimod, a novel immunomodulator. Submitted Manuscript
• id: 3c162e0c-0e47-4b84-9708-54e7df413b60 (old id 467605)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:40:46
• date last changed: 2018-11-21 21:06:27