Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zum Einfluss der MDR-1-Genexpression beim Pferd auf pharmakokinetische Prozesse am Beispiel von Ivermectin

Borg, Thomas

Pharmacokinetic studies in horses often demonstrate large interindividual differences. Such differences in the plasma concentrations of drugs can be caused by different expression levels or altered activity of metabolic enzymes and transporter proteins in blood-tissue barriers or in excretory organs. The MDR-1 (Multidrug resistance) gene codes for the P-glycoprotein (P-gp). This efflux transporter can limit the oral absorption of drugs, promote their elimination in bile and urine and prevent their accumulation in the central nervous system. The aim of this study was to examine if the MDR-1 gene expression allows for the prediction of the pharmacokinetic behaviour of the P-gp substrate ivermectin. Since access to important organs, such as the liver and intestine, is restricted, the correlation between the MDR-1 gene expression in the liver and an easily accessible tissue was examined. Due to their accessibility and expression of the MDR-1 gene, hair follicle cells were chosen. However no significant correlation between the MDR-1 gene expression in hair follicle cells and the liver could be demonstrated (rs= 0.41; r²= 0.70). Nonetheless, a simultaneously high MDR-1 gene expression in the liver and in hair follicle cells could be seen. Marked differences in the MDR-1 gene expression in hair follicle cells of a large number of horses (n= 49) were measured. A pharmacokinetic study was carried out with the six horses demonstrating the highest and with the five horses exhibiting the lowest MDR-1 gene expression. No significant differences could be determined for the plasma concentration vs. time profiles, as well as for the other pharmacokinetic parameters of Ivermectin between horses with different MDR-1 gene expression. However, the two horses with the highest MDR-1 gene expression demonstrated lower ivermectin concentrations at all sample time points. Accordingly, the maximal plasma concentration and the area under the curve of Ivermectin for these two horses were lower while the Ivermectin clearance was markedly higher than for the other horses. No differences were seen in the terminal phase disposition rate and the half-life of the terminal phase. The relationship between the MDR-1 gene expression in hair follicle cells and the pharmacokinetic behaviour does not seem to be very straightforward. Whilst altered pharmacokinetics could be observed for the two horses with the highest MDR-1 gene expression, no major differences were seen between the other horses. Possibly other factors such as the saturation of the P-gp as well as the role of other efflux transporters may play a role in these processes. At substrate concentrations which saturate the P-gp, oral absorption is mainly influenced by passive diffusion. By means of a pharmacological simulation it could be demonstrated that when the intestinal P-gp is saturated, the P‑gp at the blood-brain barrier (BBB) plays an increasingly important role in blood ivermectin levels. In this case a high P-gp expression at the BBB leads to an increased brain efflux of ivermectin and therefore to higher ivermectin plasma levels. A simultaneously high P-gp-mediated ivermectin efflux in the liver and kidney is responsible for a higher clearance. Due to the mutual compensation of the effects of P-gp-mediated transport at the blood-brain barrier and in the liver and kidney, no significant differences can be simulated for an altered MDR-1 gene expression in the case of saturated intestinal P-gp. This could offer an explanation for the lack of a significant difference in the measured plasma concentrations of ivermectin for the horses with high and low MDR-1 gene expression. As ivermectin is also a substrate for the multidrug resistance associated proteins (MRP) 1, 2 and 3 as well as for BCRP (Breast Cancer Resistance Protein), the expression levels of these proteins could mask effects on Ivermectin pharmacokinetics caused by P-gp. Further investigations with a larger number of horses might be carried out to determine the plasma concentration of ivermectin after its oral application. By screening a larger number of horses, more individuals with aberrant plasma concentrations could be identified. Further genetic analysis could help identify functional polymorphisms in the equine MDR-1 gene, as is the case in humans.

In pharmakokinetischen Studien beim Pferd fallen teilweise große interindividuelle Streuungen auf. Es ist bekannt, dass individuelle Unterschiede in der Plasmakonzentration von Arzneistoffen durch die unterschiedliche Expression oder Aktivität von metabolisierenden Enzymen und Transporter an Organschranken oder in Exkretionsorganen erklärt werden können. Das MDR-1 Gen (Multi Drug Resistance‑1 Gene) kodiert für das P-Glykoprotein (P-gp), welches einen Effluxtransporter darstellt. Dieser Effluxtransporter kann die Absorption von oral verabreichten Arzneistoffen limitieren, ihre Elimination in die Galle und in den Urin fördern und ihre Akkumulation in das ZNS verhindern. Das Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, ob anhand der MDR-1-Genexpression prädiktive Aussagen über das pharmakokinetische Verhalten des P-gp-Substrats Ivermectin möglich sind. Da der Zugang zu wichtigen Organe, wie z.B. Leber und Darm, beim lebenden Pferd begrenzt ist, sollte zunächst der mögliche Zusammenhang zwischen der MDR-1-Genexpression in der Leber und in einem von außen einfach zugänglichen Gewebe untersucht werden. Hierzu wurden Haarfollikelzellen gewählt, da die das MDR-1-Gen exprimieren und einfach zugänglich sind. Es konnte keine starke Korrelation zwischen der MDR-1-Genexpression in der Leber und in Haarfollikelzellen festgestellt werden (rs= 0,41; r²=0,70). Zu beobachten war lediglich die Tendenz einer hohen MDR-1-Genexpression in der Leber bei einer hohen Expression in Haarfollikelzellen. Deutliche Unterschiede in der MDR-1-Genexpression in Haarfollikelzellen konnten bei einer großen Anzahl von Pferden (n= 49) gemessen werden. Eine pharmakokinetische Studie mit dem P-gp-Substrat Ivermectin erfolgte bei den sechs Pferden mit der höchsten und bei den fünf Pferden mit der niedrigsten MDR-1-Genexpression. Der Verlauf der mittleren Ivermectinkonzentrationen im Plasma sowie weitere untersuchten pharmakokinetischen Parameter unterschieden sich zwischen den Pferden mit unterschiedlicher MDR-1-Genexpression nicht signifikant. Allerdings fielen die zwei Pferde mit der höchsten MDR-1-Genexpression durch einen deutlich flacheren Verlauf der Ivermectinkonzentration im Plasma auf. Dementsprechend konnte bei diesen beiden Pferden eine niedrigere maximale Plasmakonzentration und eine niedrigere Fläche unter der Kurve für Ivermectin gemessen werden. Die Ivermectin-Clearance lag deutlich höher als bei den anderen untersuchten Pferden. Nur die terminale Dispositionsgeschwindigkeitskonstante und die Halbwertszeit der terminalen Phase unterschieden sich nicht zu den anderen Pferden. Anhand der Ergebnisse dieser Studie ist eine prädikative Aussage über das pharmakokinetische Verhalten von dem P-Glykoprotein Substrat Ivermectin aufgrund der MDR-1-Genexpression in Haarfollikelzellen nicht einfach zu machen. Während bei den zwei Pferden mit einer deutlich hohen Expression dieses Gens in Haarfollikelzellen Veränderungen in der Pharmakokinetik von Ivermectin festgestellt werden konnten, zeigten die restlichen Pferde mit einer hohen MDR-1-Genexpression keine Unterschiede zu den Pferden mit einer niedrigen MDR-1-Genexpression. Möglicherweise spielen hier weitere Faktoren wie die Sättigung des Transporters und die Beteiligung von anderen Effluxtransporter eine Rolle. Eine Sättigung des intestinalen P-gps könnte dazu führen, dass die orale Ivermectin-Absorption zum größten Teil P-gp-unabhängig verläuft. Im pharmakokinetischen Modell kann gezeigt werden, dass die Bedeutung des P-gps an der Blut-Hirn-Schranke auf den Verlauf der Ivermectinmenge im Plasma bei einer Sättigung des intestinalen P-gps zunimmt. Durch eine hohe P-gp-Transportfähigkeit an der Blut-Hirn-Schranke kann mehr Ivermectin aus dem Gehirn zurück ins Blut transportiert werden. Daher können bei einer Sättigung des intestinalen P-gps höheren Ivermectinmengen im Plasma für die hohe MDR-1-Genexpression simuliert werden als für die niedrige MDR-1-Genexpression. Gleichzeitig führt die höhere P-gp-Transportfähigkeit in der Leber und Niere zu einer erhöhten Elimination von Ivermectin. Die Wirkung des P-gps an der Blut-Hirn-Schranke und des P-gps in der Leber und Niere heben sich fast gegenseitig auf, so dass keine Unterschiede in der Ivermectinmenge im Plasma zwischen hoher und niedriger MDR-1-Genexpression, bei einer Sättigung des intestinalen P-gps, simuliert werden können. Die deutlich hohe MDR-1-Genexpression bei den Pferden 14 und 15 ist von besonderem Interesse, da diese Pferde Veränderungen in pharmakokinetischen Parametern von Ivermectin zeigen, die durch eine erhöhte P-gp-Expression, welche die Sättigung überwinden kann, erklärt werden können. Die Beteiligung von anderen Transportern an der Pharmakokinetik von Ivermectin ist nicht auszuschließen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Ivermectin zu transportieren, können die MRP 1, 2 und 3 sowie das BCRP eine Rolle in dem Transport von Ivermectin spielen und pharmakokinetische Veränderungen, die durch P-gp hervorgerufen werden, maskieren. Untersuchungen an einer größeren Anzahl von Pferden könnten weitere Auffälligkeiten in der Pharmakokinetik von Ivermectin sowie in der MDR-1-Genexpression aufdecken. Weiterführende genetische Untersuchungen könnten die Identifizierung von funktionellen Polymorphismen im equinen MDR-1-Gen, wie beim Mensch der Fall ist, ermöglichen.

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Borg, Thomas: Untersuchungen zum Einfluss der MDR-1-Genexpression beim Pferd auf pharmakokinetische Prozesse am Beispiel von Ivermectin. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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