Вход в систему

Метаболизм кожи: значение ферментов кожи для рациональной разработки лекарственных препаратов

Pyo SM, Maibach H. Skin Metabolism: Relevance of Skin Enzymes for Rational Drug Design.

Метаболизм кожи: значение ферментов кожи для рациональной разработки лекарственных препаратов


Пио Сун Мин, Свободный университет в Берлине, Германия, Майбах Г., Медицинский факультет Калифорнийского университета, США

Введение

1.1 Трансдермальная терапевтическая система

Лекарственное средство (ЛС) может вводиться различными путями. Наиболее распространенной лекарственной формой (ЛФ) в фармацевтике во всем мире является пероральная таблетка с определенной фиксированной дозой. В последнее время наблюдается тенденция к разработке альтернативных лекарственных форм и путей введения. Особенно значительно возросла доля рынка трансдермальных терапевтических систем (TTS). В 2005 году мировой рынок TTS оценивался в 3 миллиарда долларов США, и прогнозировался совокупный годовой темп роста (CAGR) в 12% [1]. Десять лет спустя (в 2016 году) был подтвержден прогноз CAGR: рыночная стоимость TTS увеличилась в 10 раз до 30 млрд долларов США [2]. Более 50% общего объема было произведено в Северной и Латинской Америке, затем в Европе - 30% и в Азиатско-Тихоокеанском регионе - 25%. Рыночная стоимость TTS продолжает расти. Прогнозируется, что CAGR достигнет 7,5% к 2024 году [3].

Одним из объяснений этой тенденции может быть то, что TTS подразумевают удобный путь введения лекарств. TTS маленькие и легкие, имеют высокую прочность и могут храниться при комнатной температуре. Кроме того, для их использования не требуется вода или другие средства. Таким образом, пациенты демонстрируют высокую степень соблюдения режима лечения TTS [4]. С фармакологической точки зрения TTS лучше пероральных ЛФ, потому что последние имеют множество недостатков, поэтому TTS может служить хорошим дополнением к таблеткам с фиксированной дозой.

Например, высвобождение лекарственных средств не зависит от времени приема пищи (натощак или после еды), поэтому можно использовать более низкие дозы, так как желудочно-кишечный и печеночный метаболизм при первом прохождении ЛС исключается. Постоянные концентрации лекарственного средства в плазме достигаются без типичных пиков концентрации в плазме после каждого приема таблетки. Кроме того, меж- и внутрибольничная вариабельность сведена к минимуму, поскольку высвобождение лекарственного средства в основном контролируется системой, а не самим пациентом. По этим причинам TTS являются хорошим и перспективным дополнением к стандартной лекарственной форме.

1.2 Проницаемость через кожу

Используемые лекарственные препараты
Чтобы лучше понять механизмы проникновения препаратов через кожу, важно сначала понять физиологические функции кожи. Ее основными функциями являются (а) защита от проникновения патогенных микроорганизмов и других посторонних веществ из внешней среды и (б) удержание воды и основных питательных веществ. Обе функции зависят от силы барьерной функции кожи. По сути, кожа обладает двумя различными барьерами: физическим и биохимическим барьером. Препарат должен преодолевать оба барьера, в то время как кожа не может различить полезные и вредные чужеродные вещества.

1.3 Кожа как высокоэффективный барьер

1.3.1 Роговой слой как первый барьерный слой
(Физический) барьер

Роговой слой (РС) является самой «внешней» частью кожи. Находясь в непосредственном контакте с окружающей средой, РС можно считать первым барьером организма. Как правило, он состоит из 10–15 слоев высокоупорядоченных корнеоцитов. В сухом состоянии слои РС имеют толщину около 10–15 мкм, тогда как в гидратированном состоянии корнеоциты поглощают воду, а толщина РС значительно увеличивается до 40 мкм. Липиды, вырабатываемые кератиноцитами, покрывают корнеоциты. Это позволяет среде РС чередоваться между гидрофильной и лифильной [5]. Следовательно, помимо других свойств, «посторонние» вещества особенно нуждаются в хорошо сбалансированном липофильном и гидрофильном профиле для преодоления этого барьера.

1.3.2 Кожные ферменты как второй барьерный слой
(Биохимический) барьер

Посторонние вещества, проникшие через первый барьерный слой, могут быть биотрансформированны ферментами эпидермиса и дермы. Метаболический процесс может увеличить растворимость в воде чужеродных веществ для достижения повышенной скорости проникновения. Таким образом, биотрансформация может служить причиной того, почему эффективные лекарственные средства теряют частично или полностью свои свойства после проникновения [6]. Что касается количества клеток, то кожа обладает биотрансформационной активностью в одну треть от активности печени. Таким образом, кожа является органом с высокой ферментативной активностью, что важно учитывать при разработке препаратов для трансдермального введения. В настоящее время, однако, мало известно о метаболизме кожи.

1.4 Цель

В этой статье представлен обзор ферментов, которые, как сообщается, присутствуют в коже человека. Изучены и описаны подробно ферменты, считающиеся очень важными для биотрансформации препаратов, применяемых в коже. Кроме того, обсуждается использование пролекарств кожи и «мягких» ЛС, а также описываются стереохимические аспекты. Делаются предположение о том, как использовать современные знания о кожном метаболизме для рациональной разработки трансдермальных препаратов.

2. Результаты

2.1 Почему происходит биотрансформация в человеческой коже?
Биотрансформация подразумевает снижение активности и увеличение растворимости веществ с целью лучшего выведения их из организма. Данных процесс проходит через две последовательные фазы: «функционализации» и конъюгации. На этапе функционализации к молекуле либо присоединяются полярные функциональные группы, либо осуществляется экспрессия таких групп, находящихся в субстрате в скрытой форме.  На втором этапе происходит конъюгация продуктов первой фазы метаболизма (промежуточные соединения) с эндогенными молекулами, например глюкуроновой кислотой, сульфатом или глицерином. Продукт реакции всегда будет иметь повышенную молекулярную массу. Тем не менее, экскреция улучшается за счет резко повышенной гидрофильности.

Хорошо известно, что ферментативная биотрансформация чужеродных веществ в наибольшей степени происходит в печени человека. Однако исследования показали, что типы энзимов и их ферментативная активность не передаются непосредственно коже. Таким образом, знание метаболизма кожи должно быть изучено отдельно. Пока что имеется очень мало информации. Далее мы перечислим семейства ферментов. Они, как сообщалось, присутствуют в коже человека, и было показано, что в значительной степени они участвуют в разрушении препаратов при местном применении.

2.1.1 Алкогольдегидрогеназа

У людей известно 5 классов ферментов семейства алкогольдегидрогеназ (ADH): ADH1 с субъединицами α, β и γ, ADH2, ADH3, ADH4 и ADH5 [7]. Наиболее ярким представителем семейства ADH является ADH1, катализирующий окисление первичных и вторичных алифатических спиртов в альдегиды (рис. 1).

Основной целью этой биотрансформации является нейтрализаций проникающих экзагенных веществ. Например, этанол детоксифицируется ADH1 в печени до этанала (ацетальдегида). Однако может произойти и обратное; метанол метаболизируется идентичным ферментом до токсичного формальдегида. Следовательно, эти два явления могут возникать и при приеме лекарств. Биотрансформация может сделать лекарства неактивными или же более сильными, даже токсичными. Этот факт делает актуальным изучение активности ферментов кожи.

ADH была обнаружена как в кератиноцитах человека, так и в клетках корневых волосков [8]. Активность ADH в отношении различных спиртов в коже человека сравнивали in vitro на иссеченной коже человека с помощью ферментных анализов и in vivo в 12 клинических исследованиях с помощью patch-теста [9]. In vitro активность фермента выражалась количеством генерируемого NADH (рис. 1), а in vivo - возникновением эритемы.

Активность ADH варьировала для разных спиртов. Скорость биотрансформации заметно увеличивалась с увеличением длины углеродной цепи. Например, пентанол (C5) был в 3 раза больше катализирован ADH1, чем этанол (C2). Кроме того, с увеличением степени ветвления скорость биотрансформации снижается. Следовательно, скорость биотрансформации спиртов зависит от длины и степени разветвления: увеличение длины углеродной цепи и уменьшение степени разветвления приводят к более высокой метаболической биотрансформации.

2.1.2 Флавин-зависимая монооксигеназа

Флавин-зависимая монооксигеназа (FMO) является основным классом ферментов окисления [10]. В коже человека он имеет высокий уровень транскрипции, даже выше, чем у семейства CYP (цитохром) [11]. Основное различие между ними заключается в том, как происходит окисление; CYP использует кислородсодержащую гемотерапевтическую группу, тогда как FMO использует флавин-аденин-динуклеотид для окисления субстрата. FMO в основном биотрансформирует амин-, сульфид-, фосфор- и другие нуклеофильные гетероатомсодержащие соединения (рис. 2, 3).

В организме человека существует 5 изоформ. Какие из 5 изоформ имеются в коже точно не выяснено. Hu и соавт. [12] обнаружили все 5 транскриптов изоформ в коже человека, тогда как Jäckh et al. [13] наблюдали только транскрипцию FMO1 и FMO3. Присутствие FMO3 было также подтверждено Wilkin and Stewart [9] с помощью иммуноблотинга. FMO1 не был обнаружен. Сопоставимые результаты были сообщены Vyas et al. [14]. Таким образом, до сих пор в коже человека только транскрипция FMO3, по-видимому, была окончательно доказана. Используя бензидамин в качестве модельного субстрата, активность ферментов FMO оценивали в микросомах при биопсии кожи с живота. FMO биотрансформировал бензидамин в N-оксид бензидамина с высоким уровнем оксигенационной активности 5 нмоль / мин / мг белка [15]. Это значение подтверждает предположение о том, что FMO участвует в качестве основного класса ферментов окисления трансдермальных ЛС.

2.1.3 Альдегиддегидрогеназа

Альдегиддегидрогеназа (ALDH) превращает альдегиды в карбоновые кислоты (рис. 4). Двенадцать классов ALDH были обнаружены во всем теле человека [16]. В образце кожи человека были обнаружены только ALDH1 и ALDH3 с помощью вестерн-блот-анализа и иммуногистохимии. ALDH1 обладает высоким сродством к альдофосфамиду и играет важную роль в детоксикации пероксидных альдегидов. Напротив, ALDH3 преимущественно окисляет ароматические альдегиды и алифатические альдегиды со средней длиной цепи (жирные альдегиды). По сравнению с активностью ALDH в печени, активность в коже, как сообщается, в 22 раза ниже [8]. Кроме того, сообщалось об изменении активности ALDH в зависимости от пола и / или анатомической зоны кожного образца. Помимо этих фактов, мало что известно о ALDH в коже.

2.1.4 Карбоксилэстераза

Карбоксилэстераза (СЕ) гидролизует сложные эфиры углерода путем внутримолекулярного присоединения воды к спирту и кислотному остатку: эфир карбоновой кислоты + H2O ⇌ спирт + карбоксилат. Спирты затем окисляются до альдегидов и карбоксилатов, конъюгированных в фазе 2 биотрансформации.
Семейство СЕ включает 5 классов [17]. В печени человека были обнаружены изоферменты CE1 и CE2 [18, 19]. В коже человека до сих пор было подтверждено только присутствие изофермента CE2 в кератиноцитах человека [20]. Помимо ферментов цитохрома P450 (CYP), семейство ферментов СЕ является одним из наиболее тщательно изученных ферментов кожи. Это отражает важность этого семейства для биотрансформации трансдермальных ЛС и для детоксикации экзогенных веществ.

Активность СЕ оценивали в гомогенатах кератиноцитов человека с использованием диацетата флуоресцеина в качестве модельного субстрата [21]. Гидролитическая активность белка составляла 3,7 нмоль / мин / мг. Используя вместо этого п-нитрофенилацетат в качестве модельного субстрата, была измерена гораздо более высокая гидролитическая активность: 45 нмоль / мин / мг белка было гидролизовано в цитозольных фракциях кожи человека [22], что соответствует 12-кратному увеличению гидролитической активности.

Межиндивидуальные колебания гидролитической активности определяли в первичных кератиноцитах кожи в области молочной железы. Биотрансформация модельного препарата 4-метилбеллиферона гептаноат отчетливо варьировала от 10 до 32 нмоль / мин / мг белка [23]. Следовательно, была высокополиморфная экспрессия CE. Используя 4-метилумбеллиферен-ацетат вместо гептаноата, была измерена гораздо более слабая скорость гидролиза белка 0,5 нмоль / мин / мг [24]. Единственная разница между двумя молекулами заключается в длине их цепей (C2 и C7). По аналогии с ADH молекула с большей длиной углеродной цепи была биотрансформирована с большей скоростью (рис. 5).

2.1.5 Цитохром P450

CYPs - самая большая группа метаболизирующих ферментов в коже. Они катализируют перенос одного атома молекулярного кислорода на проникающие экзогенные субстраты, генерируя спирт и воду (рис. 6).
Экспрессия CYP полиморфна [10]. Активность CYP отличается значительной индивидуальной изменчивостью в зависимости от возраста, пола и анатомического места. Какой из ферментов CYP присутствует в коже человека, до сих пор не выяснено. Hu и соавт. [12] и Hayden et al. [25] обнаружили транскрипцию CYP2D6, CYP2E1 и CYP3A4 в нативной коже человека. Напротив, CYP1A1 / 2 и CYP2C9 были продемонстрированы только у Hu и соавт.[12], а CYP1B1 и CYP2A6 только у Hayden и соавт.[25].

2.2 Где в коже происходит биотрансформация?

Для изучения местоположения биотрансформации был измерен гидролиз преднизолона (PS) 21-ацетата до PS [26]. Иссеченную кожу человека либо разделяли на эпидермис и дерму путем погружения кожи в воду при 60 ° С, либо нарезали на кусочки толщиной 10 мкм после замораживания.
Были обнаружены следующие гидролитические активности:
- Вся кожа: 0,69 нмоль / мин / мг белка / мм толщины
- Дерма: 0,41 нмоль / мин / мг белка / мм толщины
- Эпидермис: 5,2 нмоль / мин / мг белка / мм толщины.
Таким образом, было доказано, что гидролиз происходит главным образом в эпидермисе. Анализ срезов кожи позволил получить более точную информацию: из всей кожи базальный слой показал наибольшую гидролитическую активность [26].

В этом исследовании, однако, кожа была нагрета или заморожена. Ферменты термолабильны. Особенно при нагревании выше 40 ° С ферменты значительно теряют активность. Лучшим методом исследования гидролитической активности соответствующих слоев кожи является конфокальное лазерное сканирование. С помощью этого метода изучение активности возможна без необходимости разделять кожу на слои при нагревании или замораживании.

Флуоресцеин-5-изотиоцианат диацетат наносят на вырезанную кожу человека. Если присутствуют ферменты эстеразы, происходит гидролиз и высвобождается зеленый флуоресцентный флуоресцеин-5-изотиоцианат. Этот продукт реакции затем можно визуализировать с помощью конфокального лазерного сканирования. Только жизнеспособный эпидермис излучал зеленое свечение, что указывает на то, что жизнеспособный эпидермис является наиболее ферментативно активной частью кожи [27].

Недостатком обоих вышеперечисленных способов является необходимость модельного вещества. Как упоминалось в предыдущем разделе, активность фермента зависит от конкретного вещества. Кроме того, в обоих случаях были исследованы только ферменты, обладающие гидролитической активностью. Одним из методов, который избегает использования модельного вещества и отражает активность всех ферментов, является измерение потребления кислорода. Предполагалось, что потребление кислорода пропорционально ферментативной активности клеток. Жизнеспособный эпидермис показал самое высокое потребление кислорода при 4,53 ± 1,39 мкл O2 / мг / ч. Дерма потребляла 0,49 ± 0,12 мкл O2 / мг / ч, что составляет лишь примерно одну десятую от потребления кислорода жизнеспособным эпидермисом при идентичных условиях [28].

Как бы ни отличались эти три метода, все они приводят к одному и тому же выводу: жизнеспособный эпидермис является основным местом биотрансформации. Дерма также проявляет ферментативную активность, но она намного слабее, чем у эпидермиса. Кроме того, в дерме время пребывания лекарств обычно короткое из-за всасывания через капилляры в системный кровоток. Таким образом, биотрансформация соответствующего лекарственного средства происходит почти исключительно в жизнеспособном эпидермисе.

2.3 Факторы, влияющие на ферментативную активность кожи

2.3.1 Возраст

Эстеразные ферменты, преимущественно расположенные в кератиноцитах кожи, играют важную роль в обмене веществ. Процессы развития и роста кератиноцитов напрямую связаны с эстеразной активностью. Ngawhirunpat и др. [29] обнаружили, что при пролиферации кератиноцитов ферменты эстеразы также увеличиваются. Биотрансформационная способность кожи зависит от возраста. Это следует учитывать при трансдермальном применении препаратов с высокой степенью метаболизма, поскольку у детей обычно мало клинических данных и рекомендаций по дозировке. Утвержденные и общеизвестные дозы для взрослых часто просто снижаются в зависимости от веса ребенка. Для препаратов с высокой степенью метаболизма в коже этот метод коррекции дозы не может быть рекомендован.

2.3.2 Анатомическая зона и пол
Даже если кожа считается одним органом, свойства разных ее частей отличаются. В результате некоторые ферменты обнаруживаются только в определенных областях тела. Наиболее ярким примером является 5-редуктаза; Активность этого фермента была обнаружена только в крайней плоти и коже мошонки [30]. Таким образом, этот пример также показывает специфическую для пола экспрессию ферментов кожи. Не было найдено никакой дополнительной информации, касающейся гендерных специфических ферментов кожи. Однако половые различия, обнаруженные в метаболизме печени, позволяют предположить, что различия могут также существовать в метаболизме кожи.

2.3.3 Факторы окружающей среды

Хорошо известно, что активность ферментов печени зависит от внешних факторов. Кожные ферменты также показывают это свойство. Факторы окружающей среды, широко описанные в литературе, включают ультрафиолетовое излучение и загрязнение воздуха. Ультрафиолетовое излучение само по себе не активирует и не инактивирует ферменты, но генерирует активные формы кислорода.

Например, повышенный уровень активных форм кислорода приводит к подавлению ингибиторов матричной металлопептидазы и, следовательно, к повышению активности ММП в коже [31]. Другими примерами ферментов, индуцируемых УФ-излучением в коже, являются два фермента CYP1A1 и CYP1B1 (см. Раздел 2.1.5) [32], гемоксигеназу [33, 34], циклооксигеназу [33, 35] и синтетазу оксида азота [36].

Кроме того, в литературе обсуждается изменение уровня ферментов кожи в результате загрязнения воздуха. На поверхности твердых частиц находятся полициклические углеводороды. Когда твердые частицы прилипают к коже, проникновение этих полициклических углеводородов возможно в более высокой степени. Кожа метаболизирует эти вредные молекулы с помощью бензо [а] пиренгидроксилазы. Увеличение количества и продолжительности воздействия полициклических углеводородов на кожу приводило к изменению уровня бензо [а] пиренгидроксилазы [37].

Очевидно, что уровни ферментов изменяются не только молекулами окружающей среды, такими как полициклические углеводороды, но также и целенаправленно применяемыми соединениями, такими как лекарственные средства. Поэтому желательно также проверять лекарственные взаимодействия на ферментативном уровне до назначения.

2.4 Использование кожи животных для прогнозирования метаболизма кожи человека

Образцы иссеченной кожи человека редки, что плохо влияет на репрезентативность исследований. Вместо этого обычно используется шкура животного. Полученные таким образом результаты экстраполируются для прогнозирования проникновения лекарств в кожу человека. Rittirod и соавт. [38] сравнили проникновение и метаболизм этилникотината (EN) в никотиновую кислоту (NA) в коже людей, крыс, безволосых крыс, мышей и безволосых мышей (рис. 7).

Четкие различия были обнаружены между тестируемыми видами из-за различной активности эстеразы. На коже человека обнаружен поток EN 6,9 мкмоль / см2 / час и поток NA 1,6 мкмоль / см2 / час. Это наиболее точно соответствовало значениям для мышиной кожи с потоком EN 5,3 мкмоль / см2 / ч и потоком NA 1,6 мкмоль / см2 / ч.

Напротив, наибольшая разница в метаболизме была обнаружена в коже крысы с потоком EN 0,4 мкмоль / см2 / ч и потоком NA 6,0 мкмоль / см2 / ч. Отношение EN к NA заметно снижается с 4,3 для кожи человека до 0,07 для кожи крысы. Следовательно, Rittirod и др. [38] предложили учитывать зависящую от вида активность фермента кожи при прогнозировании проницаемости кожи человека на животной модели.

3. Обсуждение

3.1 Как можно использовать метаболизм кожи при разработке трансдермальных препаратов?

3.1.1 Понятие пролекарства
Пролекарства являются фармакологически неактивными производными используемого ЛС. После попадания в жизнеспособный эпидермис ферменты биотрансформируют пролекарства в соответствующие фармакологически активные препараты.

Пролекарства образуются, когда исходные препараты имеют неблагоприятными физико-химическими свойствами для проникновения в кожу. Конечной целью применения пролекарства всегда является улучшение биодоступности исходного препарата. До настоящего времени образовывались только продукты, которые высвобождают исходное лекарственное средство после гидролитического расщепления эстеразами I фазы. Далее приведено несколько примеров пролекарств.

3.1.1.1 Этил никотинат → никотиновая кислота.
Метаболизм EN в NA уже был представлен в Разделе 2.4, чтобы лучше понять проникновение и метаболизм лекарств. NA слишком гидрофильны, чтобы эффективно проникать в РС. Этилируя алкогольную группу НА, липофильность заметно возрастает. Значение logP увеличивается с 0,36 до 1,17, а растворимость в воде уменьшается с 18 до 0,05 г / л для NA и EN соответственно [39, 40]. Этот пример хорошо иллюстрирует, насколько сильно маскирование гидрофильной спиртовой группы влияет на физико-химические свойства лекарственного средства.

3.1.1.2 N-ацилпериват → 5-фторурацил.
5-Фторурацил (5-FU) – это лекарство для лечения рака. Местно на кожу 5-FU применяется для лечения актинического кератоза и базальноклеточного рака. Из-за высокой гидрофильности 5-FU был применен принцип создания более лифильного пролекарства. Это вещество отличается тем, что азотная группа была замаскирована вместо спиртовой группы. Beall and Sloan [41] работали над двумя сериями пролекарств: алкилоксикарбонил и алкилкарбонил.

В каждой группе пролекарства различались по длине углеродной цепи, добавленной к исходному лекарству. Была измерена скорость общего количества доставленного 5-FU через безволосую мышиную кожу. Все пролекарства доставляли исходное лекарство более эффективно через кожу, но тип пролекарства сильно влиял на доставляемое количество 5-FU: использование алкил-карбонильного ряда приводило к гораздо более высоким количествам 5-FU. Кроме того, длина углеродной цепи сыграла важную роль: было обнаружено больше 5-FU с более короткими углеродными цепями. Например, измеренная концентрация 5-FU была в 40 раз выше с C1, в 20 раз выше с C2 и в 4 раза выше с C6.

3.1.1.3 N, N'-бис-ацилдериват → 5-фторурацил.
На втором этапе Beall and Sloan [42] замаскировали обе азотные группы 5-FU. На основании результатов предварительных исследований были исследованы только 1,3-бис-алкилкарбонильные пролекарства и использовались длины углеродных цепей от С1 до С4. Также для 1,3-бис-алкилкарбонильных пролекарств самая высокая доставка 5-FU была обнаружена с C1: концентрация 5-FU увеличилась в 5 раз. Таким образом, маскировка обоих азотов не была полезной по сравнению с 40-кратным увеличением доставки 5-FU с помощью пролекарства C1 N-алкилкарбонила. То, что оставалось тем же самым, было уменьшение доставленного количества 5-FU с увеличением длины углеродной цепи. В целом, Beall и Sloan [42] не рекомендовали маскировать обе гидрофильные группы при разработке пролекарства 5-FU.

3.1.1.4 Предникарбат → 17- и 21-Этилкарбонат → Преднизолон.
Предникарбат (ПК) может быть использован в качестве контрпримера к 1,3-бис-алкилкарбонильным пролекарствам 5-FU. Это вдвойне замаскированное пролекарство может быть в достаточной мере биотрансформировано кожными ферментами. Через два возможных интермедиата (17- и 21-этилкарбонат) исходный препарат PS высвобождается в коже (рис. 8). В вырезанной коже человека эстератическое расщепление оказалось доминирующим в кератиноцитах жизнеспособной кожи [21].

После 6 ч воздействия на кожу проникало 12% PS. После 24 ч воздействия почти 83% применяемого ПК было биотрансформировано. В ткани в наибольшей степени присутствовало исходное лекарственное средство ПК, за которым следовал 17-этилкарбонат. И ПК, и 21-этилкарбонат были обнаружены в незначительной степени. В среде преобладающим был только исходный препарат PS. Количества 17- и 21-этилкарбоната были сопоставимы. Пролекарство имело самое низкое количество. Эти значения доказывают, что энзимы кожи могут в достаточной степени биотрансформировать обе маскированные алкогольные группы пролекарства ПК.

Почему PS полностью гидролизуется, возможно, можно объяснить особой пространственной структурой PS. Скелет андростана можно считать плоскостью, и боковые цепи поднимаются почти вертикально из этой плоскости. Боковые цепи расположены в противоположном направлении. Боковая цепь в положении 17 направлена ​​вниз, а в положении 21 - вверх; таким образом, оба стерически свободно доступны для ферментов с каждой стороны.

3.1.2. Концепция «мягкого» лекарственного средства

Использование «мягких» ЛС является новым подходом в разработке более безопасных лекарств для местной терапии. В отличие от пролекарств, «мягкие» ЛС сами по себе активны. В жизнеспособном эпидермисе и дерме ферменты кожи биотрансформируют их в неактивные метаболиты. Следовательно, активное лекарственное средство не попадает в системный кровоток, и фармакологический эффект ограничен областью применения. При разработке «мягких» ЛС учитываются аспекты их биотрансформации. Этот рациональный подход быстро инактивируемых «мягких» ЛС может использоваться для создания лекарств, устойчивых к биотрансформации через ферменты кожи.

3.1.2.1 Бензоилпероксид → Бензойная кислота (рис. 9).
Бензоилпероксид (БПО) местно применяли у 5 пациентов для лечения язв на ногах [43]. Вместо БПО в сыворотке пациентов была обнаружена только бензойная кислота. Эти данные показывают, что БПО полностью метаболизируется в коже. Поэтому Morsches and Holzmann [43] исключили системно-токсическое действие БПО при местной терапии. Оказалось, что БПО имеет сильное сродство к ферментативному расщеплению. Одним из объяснений этого может быть то, что пероксиды имеют электронно-обогащенное сечение молекулы. Это может сделать их более уязвимыми для ферментов. Следовательно, при разработке лекарств, устойчивых к метаболизму, следует избегать богатых электронами или -бедных доменов.

3.1.3 Есть ли стереоселективная биотрансформация?

3.1.3.1 Рацемический этиловый эфир кетопрофена → (R) - и (S) -кетопрофен.

Исследования, проведенные на клетках HaCaT, дали результаты, сопоставимые с образцами кожи человека, в отношении их биотрансформационной активности [21]. Кетопрофен – это НПВП, используемый против боли и воспаления. (R)-Кетопрофен обладает в основном обезболивающими свойствами, тогда как (S)-кетопрофен обладает в 100-1000 раз более сильными противовоспалительными свойствами. При пероральном введении часто сообщалось о желудочно-кишечных побочных эффектах, поэтому трансдермальное применение кетопрофена стало более «интересным». Однако кетопрофен обладает физико-химическими свойствами, которые не подходят для трансдермального пути.

Было создано более липофильное пролекарство, этиловый эфир кетопрофена (KEE). Как проникновение, так и метаболизм были исследованы в клетках HaCaT. Результаты показали, что CE2 в основном отвечает за биотрансформацию KEE в кетопрофен. Подавление CE2 селективно ингибирует гидролиз KEE почти полностью [44] (рис. 11). Хотя рацемический KEE был применен к клеткам HaCaT, почти исключительно R-KEE был преобразован в (R)-кетопрофен. Для дермального продукта с R / S-KEE в качестве пролекарства можно ожидать обезболивающего, но не противовоспалительного эффекта.

3.1.3.2 Диастереомерный эфир пропранолола → пропранолол (рис. 12).

Пропранолол является эффективным β-блокатором. (S)-пропранолол в 100 раз более эффективен, чем (R)-пропранолол. Тем не менее, из-за выраженного печеночного метаболизма первого прохода пропранолола, его пероральная биодоступность является плохой. Для доставки через кожу пропранолол является слишком гидрофильным. Так, Udata и др. [45] синтезировали более липофильное пролекарство сложного эфира. Из-за 2 центров хиральности в молекуле пролекарства существует 4 энантиомера (1S2S, 1S2R, 1R2R и 1R2S). Был оценен их метаболизм и проницаемость в зависимости от стереохимии. Для рацемического пропранолола не наблюдалось стереоспецифического проникновения в кожу человека; оба (S) - и (R) -пропранолола проникают в кожу в равной степени. В гомогенатах тканей кожи человека скорости гидролиза 4 энантиомеров были различными: 1S2R> 1R2R> 1R2S> 1S2S.

Эти результаты хорошо согласуются с другими исследованиями; и здесь гидролиз был более выраженным с 2R энантиомерами. Важным новым открытием было то, что скорости потока были разными у 4 энантиомеров; это показывает зависимость проникновения через кожу от стереохимии препарата. В этом исследовании самый высокий поток был получен с энантиомером 1S2S, который в 30 раз выше, чем у исходного препарата. С другой стороны, этот энантиомер метаболизируется наиболее слабо до исходного препарата. Остается вопрос, какой из 4 энантиомеров обеспечивает самую высокую концентрацию (S)-пропранолола в крови с точки зрения как потока, так и метаболизма.

4. Выводы

В последнее время опубликовано несколько публикаций, в которых исследуются процессы метаболизма ферментов кожи, влияющие на проникновение ЛС. Поскольку типы и активность этих ферментов несопоставимы с таковыми в других органах (например, в печени), необходимы более специфические для кожи исследования, чтобы сделать какие-либо четкие выводы. Кроме того, тот факт, что некоторые метаболические процессы описаны спорным образом, делает еще более трудным изучение данной проблемы. Тем не менее, мы нашли достаточно сходств в этих публикациях, чтобы позволить нам сделать следующие общие рекомендации. Эти рекомендации будут полезны при разработке трансдермальных ЛС.

  1. Типы ферментов кожи варьируются в зависимости от анатомической зоны и пола. Следовательно, могут возникать внутри- и межиндивидуальные колебания, особенно если препарат интенсивно метаболизируется.
  2. Активность ферментов кожи зависит от возраста (повышаясь с возрастом). Таким образом, при использовании лекарств с высокой степенью метаболизма у детей дозы следует не только уменьшать в зависимости от веса ребенка.
  3. Безусловно, самая высокая активность фермента была показана для жизнеспособного эпидермиса. Следовательно, можно эффективно использовать как трансдермальные пролекарства, так и трансдермальные «мягкие» лекарственные средства, поскольку они активируются или инактивируются до попадания в дерму и, следовательно, до их системного всасывания.
  4. Геометрические свойства хиральных препаратов сохраняются после их биотрансформации. Это позволяет использовать более активный энантиомер при составлении пролекарств. Если оба энантиомера (R и S) одинаково активны, энантиомер R можно использовать, если требуется высокая биотрансформация (например, пролекарства и «мягкие» ЛС), и энантиомер S, если применяемое лекарственное средство должно быть в меньшей степени ферментировано.
  5. При использовании пролекарств и «мягких» ЛС следует подумать об активности фермента. Этерификация более чем одной гидроксильной группы (для получения более липофильного пролекарства) часто приводит к более низкому высвобождению исходного лекарственного средства, потому что стерически более доступные сложные эфиры или простые эфиры расщепляются первыми.
  6. Вместо маскировки нескольких гидроксильных групп может варьироваться длина углеродной цепи для увеличения липофильности. В большинстве случаев ферментативная биотрансформация усиливалась с увеличением длины углеродной цепи. Кроме того, алифатические группы не должны быть разветвленными, если необходима высокая биотрансформация. Здесь, опять же, стерическое расположение играет важную роль в метаболизме кожи.


Skin Metabolism: Relevance of Skin Enzymes for Rational Drug Design

Авторы:

Аннотация на английском языке:
Transdermal therapeutic systems (TTS) have numerous pharmacological benefits. Drug release, for example, is independent of whether a patient is in a fed or a fasted state, and lower doses can be given as gastrointestinal and hepatic first-pass metabolism is avoided. In addition, inter- and intrapatient variability is minimized as the release of the drug is mainly controlled by the system. This makes TTS interesting as alternative systems to the most common dosage form of oral tablets. The difficulty with the dermal administration route is transporting the drug through the skin, since the skin is an efficient barrier against foreign bodies. Various strategies have been reported in the literature of how drug penetration can be improved. Most of them, however, focus on overcoming the stratum corneum as the first (mechanical) skin barrier. However, penetration is much more complex, and the skin's barrier function does not only depend on the stratum corneum; what has been underestimated is the second (biological) skin barrier formed of enzymes. Compared to the stratum corneum, very little is known about these enzymes, e.g., which enzymes are present in the skin and where exactly they are localized. Hence, very few strategies can be found for how to bypass or even use the skin enzyme barrier for TTS development. This review article provides an overview of the skin enzymes considered to be relevant for the biotransformation of dermally applied drugs. Also, we discuss the use of dermal prodrugs and soft drugs and give the stereoselectivity of skin metabolism careful consideration. Finally, we provide suggestions on how to make use of the current knowledge about skin enzymes for rational TTS design.



Запись в Medline
Файл публикации


Ваша оценка: Нет Средний рейтинг: 5 (2 votes)