Theoretische Grundlagen

Anatomie, Physiologie und Funktionalität des Auges Der Augapfel

Abb. 1 : Schnitt durch den Augapfel; nach [177]

Der Bulbus oculi (Augapfel) hat annähernd die Form einer Kugel. Die Sclera (Lederhaut) bildet seine feste äußere Hülle. Vorn befindet sich ein größeres rundliches Fenster, in das die gewölbte, klare Cornea (Hornhaut) eingepasst ist. An der Rückseite des Augapfels verlaufen die Nervenfasern aus der Retina (Netzhaut) durch die Lamina cribrosa, eine siebartige Öffnung, und vereinigen sich dann zu einem dicken Strang, dem Nervus opticus (Sehnerv) [177].

Die Durahülle des Nervus opticus geht kontinuierlich in die Scleraüber. Am Übergang von Sclera zu Cornea befindet sich das Trabekelwerk. Die Sclera verfügt über ein eigenes Blutkreislaufsystem, das bei Entzündungen subconjunctival rötlich durchschimmert.

Der Raum zwischen der vorderen Glaskörpergrenzmembran und der Rückseite der Iris wird als hintere, derjenige zwischen Iris und Hornhaut als vordere Augenkammer bezeichnet. Beide Räume sind mit klarem Kammerwasser gefüllt, das durch die Pupille von der Hinterkammer in die Vorderkammer fließt [177].

Das transparente Gewebe der Cornea ist frei von Blutgefäßen und weicht damit im Bau, im Stoffwechsel und in der Physiologie von vaskularisierten Organen ab. Die Krümmung der Hornhaut und ihre glatte, optisch brechende Oberfäche stellen einen Teil des optischen Systems des Auges dar. Die Cornea wölbt sich über der Iris (Regenbogenhaut) und der Vorderkammer kuppelartig hervor. An ihrem Rand, dem Limbus corneae, steht sie mit der Sclera und der Conjunctiva (Bindehaut) in Verbindung. Der Hornhautdurchmesser beträgt bei Erwachsenen 11-12 mm, die Dicke 0,45-0,55 mm [177].

Da die Cornea in dieser Arbeit sowohl als Permeationsbarriere als auch als besonders wirkstofftragende Membran bei der In-vivo-Distribution eine herausragende Rolle spielt, wird sie unter III.1.4 detailliert beschrieben.

Das Trabekelwerk stellt ein Filtersystem dar, durch welches das Kammerwasser in den Schlemm’schen Kanal sickert. Es besteht aus Gewebebälkchen, die netzartig miteinander verwoben sind. Das Trabekelwerk erstreckt sich zwischen Cornea, Sclera und Ziliarkörper.

Der Begriff Uvea umfasst die gefäßreichen Gewebe im Augeninnern: die Iris, den Corpus ciliare (Ziliarkörper) und die Chorioidea (Aderhaut).

Die Chorioidea besteht aus einem schichtartig übereinanderliegenden System von Blutgefäßen. Außen liegen scleraseitig große Arterienäste der Aorta ciliares und die Vortexvenen. Weiter innen befindet sich ein Netz von mittelgroßen Adern.

Im vorderen Drittel des Augapfels liegt der Ziliarkörper. Wie ein Kranz umfasst er das Fenster der Cornea. Der Ziliarkörper ist mit einem zweischichtigen Epithel bedeckt. Das äußere, muskelseitige Blatt enthält Pigment (pigmentiertes Ziliarepithel). Die innere Zellschicht ist ein zylindrisches, nicht pigmentiertes Epithel.

Die Iris ist eine dünne Gewebescheibe, die vorn aus dem lockeren Irisstroma und hinten aus dem Pigmentblatt, einer Fortsetzung des pigmentierten Ziliarepithels, aufgebaut ist. Die Einsenkung zwischen Iris und Ziliarkörper wird als Sulcus ciliaris bezeichnet.

Die Linse ist ein wesentlicher Teil des optischen Systems des Auges. Im Gegensatz zur Cornea besteht ihre Masse fast vollständig aus intrazellulärem Material, das von einer relativ festen, elastischen Kapsel aus Glykoproteinen umhüllt ist.

Der Corpus vitreum (Glaskörper) füllt mit einem Volumen von rund 4 ml das Innere des Augapfels aus. Sein Aufbau schützt und unterstützt die ihn umgebende Retina. Die gallertartige Masse des Glaskörpers enthält ein Gerüst aus kollagenen Fibrillen. In die Lücken des kollagenen Gerüsts winden sich die Riesenmoleküle der Hyaluronsäure. Ihre polaren Gruppen binden an den Schwefelsäureresten Wasser, das 98% der Masse des Glaskörpers ausmacht. Der menschliche Glaskörper enthält normalerweise keine Blutgefäße.

Die Retina (Netzhaut) bildet an ihrer äußeren Seite, zur Aderhaut hin, die Stäbchen und Zapfen, welche auf Licht über eine photochemische Reaktion das elektrochemische Potential erzeugen, das zur optischen Sinneswahrnehmung führt.

Die Sclera ist in den vorderen Anteilen des Augapfels von der Conjunctiva bulbi bedeckt. Letztere besteht aus mehreren fein vernetzten, bindegewebigen Blättern. Dieses lockere conjunctivale Stroma ist reichlich von Blut- und Lymphgefäßen durchzogen. Im Bereich des Äquators wendet sich die Conjunctiva um und zieht vom Augapfel auf die Innenseite der Lider. Sie bildet dort die Conjunctiva tarsi.

Alle Blutgefäße der Conjunctiva zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, sich bei verschiedenartigsten Reizen rasch und stark erweitern zu können. Sie sondern dann Exsudat und Blutzellen in das conjunctivale Stroma ab, die als entzündliche Schwellung erscheinen (Conjunctivitis).

Die Oberfläche der Conjunctiva ist von einem mehrschichtigen Epithel bedeckt, das am Rand (Limbus) in das Corneaepithel übergeht. Zwischen den Plattenepithelzellen befinden sich Becherzellen. Ihr schleimiges Sekret enthält Glykoproteine (Mucin) und leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Bildung des präcornealen Tränenfilms [177].
Die Tränenflüssigkeit
Die Selbstreinigung der den äußeren Einflüssen ausgesetzten Hornhautvorderseite wird durch den Lidschlag und die Sekrete aus den Tränendrüsen gewährleistet. Die geringste Reizung (z.B. durch Staubpartikel) löst einen Reflex aus, der zum Lidschlag und demzufolge zur Tränenausscheidung führt. Die Augenlider, die auf ihrer Innenseite mit Bindehautgewebe ausgekleidet sind, bewirken außerdem einen fünf- bis zehnmal pro Minute auftretenden, unwillkürlich ausgelösten Lidschlag, der, unterstützt durch das Sekret der Tränendrüsen, den Tränenfilm gleichmäßig auf der Oberfläche der Cornea verteilt und somit deren Austrocknung und eine daraus resultierende Trübung verhindert [185].

Die Tränenflüssigkeit bedeckt die Oberfläche von Conjunctiva und Cornea und erfüllt dabei eine Vielzahl wichtiger Funktionen. Die Bildung des Tränenfilms erfolgt in den Tränendrüsen (Glandulae lacrimalis), den Becherzellen und den akzessorischen Tränendrüsen der Conjunctiva. Der präcorneale Tränenfilm hat eine Dicke von 5-10 µm [44, Abb. 2]. Das Volumen der Tränenflüssigkeit am Auge beträgt normalerweise 6,3-10 µl [44, 177]. Die durchschnittliche Umsatzrate beträgt beim Menschen ungefähr 15% pro Minute, d.h. ca. 1 ml/ 24 h, wobei die Tränenproduktion nachts fast gänzlich eingestellt ist. Die Tränenflüssigkeit wird demzufolge etwa viertelstündlich erneuert [44]. Die dabei erfolgende Ableitung über die Tränenkanäle zum Tränennasenkanal wirkt sich nachteilig auf die Bioverfügbarkeit lokal applizierter Augenarzneimittel aus.

Abb. 2 : Tränenfilm; nach [ 177 ]

Die Tränenflüssigkeit enthält eine Vielzahl anorganischer und organischer Bestandteile (Tabelle 1), die die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Tränenfilms determinieren. Der Tränenfilm weist drei Schichten auf (Abb. 2): Auf der hydrophoben Oberfläche des Corneaepithels liegt eine hydrophile Mucinschicht. Nach außen folgt eine wässrige, niedermolekulare Substanzen und Proteine enthaltende Schicht. Eine Lipidschicht, bestehend aus hochmolekularen Fettsäureestern, zieht sich außen wie ein dünnes Häutchen, wahrscheinlich als monomolekulare Schutzschicht, über die wässrige Phase.

Der Gesamtproteingehalt der Tränenflüssigkeit liegt zwischen ca. 6 und 20 g/l [74] (Tabelle 1). Das Tränenalbumin, das bei bestimmten entzündlichen Prozessen vermehrt auftritt, wird vor allem für die präcorneale Proteinbindung diverser Arzneistoffe verantwortlich gemacht [142], wohingegen das bakteriolytisch wirksame Lysozym (HTL), eine Muramidase, eine wichtige Rolle bei der Infektabwehr spielt [185]. Weiterhin enthält die Proteinfraktion immunkompetente Gammaglobuline sowie diverse Enzymsysteme (Tabelle 1).

Eigenschaften

Sekretionsrate [µl/min]

2,4

Volumen [µl]

6,3 [177]; 7-10 [44]

Osmotischer Druck [mOsm/kg]

311-350 [138]

pH-Wert

7,4 (7,14-7,82), abhängig v. d. Tageszeit [32]

Bestandteile

H2O-Gehalt [%]

98,2%

Elektrolyte

[mmol/l]

Enzyme

[mmol/(min·ml)]

Na⁺

142

β-N-Acetylglucosaminidase

0,24

K⁺

15

β-Galactosidase

0,9

Cl^-

135

α-Galactosidase

2,0

HCO₃ ^-

3-25

β-Glucuronidase

2,0

Ca⁺⁺

0,3-1,0

saure Phosphatase

40,0

Mg⁺⁺

0,3-1,0

Amylase

800,0

Laktat

1,85

Laktatdehydrogenase

2000

Pyruvat

0,18

Malatdehydrogenase

1600

Glucose

0,18

Glucose-6-phosphat-dehydrogenase

150

Proteine

[g/l]

Immunglobuline

[g/l]

Albumin

4

IgG

0,001

Globuline

3

IgA

0,2-1,0

Lysozym

1-2

IgM

0,01-0,04

Lactoferrin

1-2

IgE

0,0001

Glycosaminoglykane

0,6

Mucine

1,0

Tabelle 1 : Eigenschaften und Zusammensetzung der humanen Tränenflüssigkeit; nach [177]

Das Kammerwasser
Das Kammerwasser ist eine klare, wässrige Flüssigkeit, die die Räume der Hinter- und Vorderkammer ausfüllt. Es wird im Ziliarkörper durch Filtration und Sekretion aus dem Blutplasma abgesondert, umspült Iris und Linse, benetzt die Hornhautrückfläche, fließt durch das Trabekelwerk im Kammerwinkel in den Schlemm’schen Kanal und weiter durch die Kammerwasservenen transscleral über das venöse Kreislaufsystem der Conjunctiva ab.

¹beim Kaninchen, die Werte sind ähnlich wie beim Menschen.
Plasma

Kammerwasser

Protein [g/l]

6-7

0,01-0,05

Elektrolyte und Nichtelektrolyte [mmol/l]

Na⁺

151

144

K⁺

4,7

4,6

Ca⁺⁺

2,6

1,7

Mg⁺⁺

1,0

0,08

Cl^-

118

109

HCO₃ ^-

27

34

Laktat

2-4

7,2

Pyruvat

0,2

0,6

Glucose

7-8

6,6-6,9

Fructose

0,07

0,2

Ascorbinsäure

0,02

1,5

Harnstoff

9

7

Tabelle 2 : Chemische Zusammensetzung des Kammerwassers1 im Vergleich zum Blutplasma; nach [177]

Das Kammerwasser enthält Elektrolyte und nichtionische Komponenten, die in Tabelle 2 vergleichend zum Plasma dargestellt sind. Der Glucosegehalt ist geringfügig niedriger als im Plasma. Die Laktat- und Pyruvatspiegel sind drei- bis viermal höher und der Ascorbinsäure-spiegel ist 75mal höher als im Blutplasma. Die Proteinkonzentration im Kammerwasser ist im Vergleich zum Plasma äußerst niedrig (Tabelle 2).

Das Volumen (ca. 200 µl (Kaninchen)) der Vorderkammer wird durch Zufluss und Abfluss konstant gehalten. Dadurch bilden die Augenkammern in dem geschlossenen System des Augapfels das regelbare Volumen, mit dem der Augeninnendruck eingestellt wird. Das zu- und abfließende Volumen und damit die Sekretionsrate des Ziliarkörpers beträgt im Durchschnitt 4 µl/min. Im Wesentlichen werden aber der Kammerwasserstrom und der Augeninnendruck durch den Abfluss über das Trabekelwerk reguliert. Diese Struktur hat demnach für die Physiologie und Pathophysiologie des Auges eine große Bedeutung [177].

Das Ziliarepithel bildet durch die Zonulae occludentes eine Diffusionsbarriere (Blut-Kammerwasserschranke) zwischen dem extrazellulären Raum bzw. den Kapillaren des Ziliarkörpers und der Hinterkammer. Die Blut-Kammerwasserschranke wird bei Entzündungen, perforierenden Verletzungen des Augapfels sowie nach Verätzungen des vorderen Augensegments verstärkt durchlässig. Dann verändert sich die Zusammensetzung des Kammerwassers für Stunden oder länger bis die Schädigung beseitigt ist. Typisch ist in diesem Zusammenhang der Anstieg des Proteingehalts durch Serumeiweißkörper [177].
Die Cornea
Die Cornea wird in fünf Schichten unterteilt: Corneaepithel, Bowman-Schicht, Stroma (Corneaparenchym), Descemet-Membran und Corneaendothel (Abb. 3).

Abb. 3: Aufbau der Cornea; nach [185]

Epithel: Die Oberfläche der Hornhaut wird von einem 5-7schichtigen, nicht verhornten Plattenepithel bedeckt. Die Basalzellen stehen in zylindrischer Form auf einer Basallamelle und sind durch Hemidesmosomen mit ihr verbunden. Geht diese Verbindung verloren, löst sich der Epithelverband in Blasen vom Stroma. Es entstehen schmerzhafte rezidivierende Hornhauterosionen [177].

Stroma: Das Hornhautstroma hat den größten Anteil an der Gewebemasse der Cornea. Nur 5-10% des Stromavolumens werden von Zellen, den Keratozyten, ausgefüllt. Der übrige Teil, mindestens 90%, ist dem extrazellulären Raum zuzuordnen. Das extrazelluläre Material besteht größtenteils aus regelmäßig aufgebauten kollagenen Fibrillen, zwischen die eine interfibrilläre Matrix aus Proteoglykanen eingelagert ist. Letztere sorgen durch ihre konstante Molekülgröße für einen gleichbleibenden Abstand zwischen den kollagenen Fibrillen. Der gitterähnliche Aufbau des Hornhautstromas aus den 10-30 nm dicken kollagenen Fibrillen bildet die physikalische Grundlage für die Erklärung der Transparenz dieses Gewebes. Zum Epithel hin sind die kollagenen Fibrillen verdichtet, so dass eine glatte konvexe Oberfläche entsteht, die Bowman-Membran (Lamina limitans anterior). Auch auf der konkaven Rückseite der Cornea findet sich eine Verdichtung der Strukturproteine, die sich mikroskopisch homogen darstellen und bei der Präparation als glasartige Lamelle leicht zu isolieren sind. Auf dieser Schicht, der Descemet-Membran (Lamina limitans posterior), liegt das einschichtige Endothel, die Abgrenzung der Cornea zum Kammerwasser [177].

Endothel: Beim Blick von hinten auf die Cornea stellt sich das Endothel als eine regelmäßige, aus hexagonalen Zellen zusammengesetzte Schicht dar. Die Endothelzellen enthalten zahlreiche Mitochondrien, ein endoplasmatisches Retikulum und pinozytische Bläschen. Sie sind durch Zonulae occludentes (Schlussleisten) miteinander verbunden. Das Endothel wirkt als Diffusionsbarriere, die das Kammerwasser daran hindert, in das Corneastroma einzudringen. Die Endothelzellen kontrollieren durch aktiven Transport und selektive Diffusion den Stoffaustausch zwischen Cornea und Kammerwasser (Abb. 2). Die Zufuhr von nutritiven Metaboliten (z.B. Glucose und Aminosäuren) erfolgt aus dem Kammerwasser [177]. Stoffwechselprodukte (z.B. Laktat) diffundieren aus dem Corneastroma durch das Endothel in entgegengesetzter Richtung in das Kammerwasser. Durch aktiven Transport bringt das Endothel die Ionen Cl^-, HCO₃ ^-, Na⁺ und K⁺ in das Kammerwasser. Sie ziehen auf ihrem Wege Wasser aus dem Stroma mit. Dadurch wird die makromolekulare Grundsubstanz des Stromas dehydriert und in einen Zustand der Entquellung versetzt. Dieser physikalisch-chemische Spannungszustand bildet eine wichtige Grundlage für die Transparenz des Stromas.

Lokale Therapie in der Augenheilkunde Allgemeines
Nach Applikation eines Augentropfens (25-50 µl, je nach Applikation) wird der Hauptanteil der Arzneistofflösung rasch von der Augenoberfläche gespült und das Lösungsvolumen reduziert sich auf das normale Tränenvolumen von etwa 7,5 µl [35]. Danach bleibt das präcorneale Lösungsvolumen konstant, aber die Konzentration des Arzneistoffs nimmt durch dessen corneale und nicht-corneale Absorption sowie durch die Verdünnung mit Tränen-flüssigkeit ab [152, 153]. Die Drainageraten nehmen üblicherweise mit zunehmender Viskosität der Tränenflüssigkeit ab [131, 132, 248] und werden durch größere Augentropfen-volumina erhöht [35]. Der normale Tränenfluss beträgt beim Kaninchen 0,5 µl/min [35] und beim Menschen 1,2 µl/min [139, 216]. Dieser spielt jedoch im Normalfall eine untergeordnete Rolle für den Arzneistoffverlust aus dem präcornealen Bereich.

Abb. 4 : Wege, die die Bioverfügbarkeit topisch applizierter Ophthalmika beeinflussen; nach [122]

Allerdings wirken sich Arzneistoffe oder Vehikel, die aufgrund von Irritationen einen stärkeren Tränenfluss induzieren, negativ auf die Arzneistoffverfügbarkeit aus. Abb. 4 zeigt die möglichen Verlustwege von topisch applizierten Augentropfen.

Der Stofftransport ins Augeninnere erfolgt nicht allein via Cornea, sondern auch die Absorption über die Conjunctiva stellt einen wichtigen Weg dar (Abb. 5). Die Oberfläche der Conjunctiva ist wesentlich größer als die der Cornea [240], und damit beträgt die Permeabilität für Arzneistoffe, in Abhängigkeit von deren individuellen physiko-chemischen Eigenschaften, häufig das Zwei- bis 30fache [2, 239].

Die Cornea wird im Allgemeinen als Hauptweg, aber nicht als einziger entscheidender Weg für die Penetration und Permeation topisch applizierter Arzneistoffe am Auge betrachtet. Die Conjunctiva und Sclera werden für die meisten Arzneistoffe als leichter permeierbar gegenüber der Cornea [2, 8, 239] angesehen.

Abb. 5 : Absorptionswege topisch applizierter Ophthalmika; nach [122]

Corneaepithel und -stroma sind die wichtigsten Barrieren für den Arzneistofftransport [83]. Für die corneale Permeabilität ist die Lipophilie eines Moleküls die dominante Eigenschaft [2, 8, 239]. Der optimale apparente Verteilungskoeffizient (Octanol/Puffer pH 7,4) der Wirkstoffe für eine corneale Arzneistoffpermeation wird im Bereich von 100-1000 angegeben [200, 201]. Für hydrophile Moleküle ist das corneale Epithel die am schwierigsten zu überwindende Barriere, für lipophile Stoffe das hydrophile Stroma. Neben der Lipophilie eines Arzneistoffs sind seine Wasserlöslichkeit [210], Molekülgröße [114] und Ladung [115] sowie sein Ionisationsgrad [21, 43, 210] für die corneale Permeabilität ausschlaggebend.

Die Tränenflüssigkeit weist eine begrenzte Pufferkapazität auf [31]. Demzufolge haben pH-Wert und Pufferkapazität der applizierten Lösung nicht nur Einfluss auf die Ionisierung des Wirkstoffs, sondern auch auf die pH-Situation der Tränenflüssigkeit [3, 130] im präcornealen Bereich. Die nichtionisierte Form eines Moleküls permeiert normalerweise die Cornea leichter als die ionisierte Form [16]. Demzufolge sind pH-Wert und Pufferkapazität einer Augentropfenlösung auch von entscheidendem Einfluss auf die okulare Arzneistoff-absorption.

Im Folgenden sollen als spezielle ophthalmologische Indikationsgebiete das Glaukom (III.2.2) sowie immunologische Erkrankungen (III.2.3) herausgegriffen werden, da die zu untersuchenden Wirkstoffe (s. Problemstellung) auf diese Anwendungsgebiete zielen.
Glaukom
Unter dem Begriff „Glaukom“ werden Krankheitszustände zusammengefasst, deren gemeinsames Symptom eine Erhöhung des Augeninnendrucks (Intraocular Pressure – IOP) ist. Bei einem Druck größer als 23-25 mmHg liegt ein Verdacht auf ein Glaukom vor; bei einem Druck über 29 mmHg kann diese Erkrankung angenommen werden. Bei manifestem Glaukom ist das Gleichgewicht zwischen intraokularem Druck und okularer Durchblutung gestört. Eine anhaltende Herabsetzung des arteriellen Perfusionsdrucks führt zur Atrophie der Sehnervenfasern, woraus Defekte und Ausfälle des Gesichtsfelds und letztlich Erblindung resultieren. Die Erhöhung des IOP ist zumeist die Folge eines beeinträchtigten Abflusses des Kammerwassers bei offenem Kammerwinkel (Weitwinkelglaukom, Glaucoma simplex) [150].

Abb. 6 : Weiter (A) und enger (B) Kammerwinkel; nach [146]

Davon abgrenzbar sind Winkelblockglaukome bei engem Kammerwinkel (Engwinkel-glaukome) und sog. Sekundär-Glaukome, z.B. bei Gefäßveränderungen im Kammerwinkel-bereich, Zustand nach Operationen oder nach Therapie mit Glucocorticoiden (systemisch oder lokal am Auge) [150], woraus ebenfalls ein erschwerter Kammerwasserabfluss resultieren kann [146].

Beim Weitwinkelglaukom, der häufigsten Glaukomform des Erwachsenen (95% aller Fälle), kann das Kammerwasser durch das Trabekelmaschenwerk, welches den Kammerwinkel auskleidet, infolge struktureller Veränderungen der Trabekel nur schwer hindurchgelangen. Als weiteres Abflusshindernis kommt eine Drucksteigerung in den kammerwasserableitenden Venen in Betracht [146].

An erster Stelle der Glaukombehandlung steht die medikamentöse Therapie. Über neunzig Prozent der Glaukomkranken können mit Augentropfen behandelt werden. Tritt hiermit der gewünschte Erfolg nicht ein, kommen eine Laserbehandlung oder eine Operation in Betracht. Die medikamentöse Glaukomtherapie verfolgt drei Ziele:

Augeninnendrucksenkung
Alle bisher zur Verfügung stehenden Glaukom-Medikamente senken den Augeninnendruck durch Verbesserung des Kammerwasserabflusses und/oder durch Herabsetzung der Kammerwasserproduktion. Die Senkung des Augeninnendrucks hat eine Entlastung des Sehnervs und eine Verbesserung der Nährstoffversorgung von Netzhaut und Sehnerv zur Folge [245].

Verbesserung der Netzhaut- und Sehnervdurchblutung
Bei Glaukompatienten kann die Durchblutung oder die Regulation der Blutversorgung an Netzhaut und Sehnerv zusätzlich gestört sein. Aus diesem Grund kann ein positiver Einfluss auf die Sehnerv- und Netzhautdurchblutung wünschenswert sein. Bei gleichzeitiger Augeninnendrucksenkung und Verbesserung der Durchblutung spricht man von Co-Regulation [245].

Schutz der Nervenzellen vor schädigenden Einflüssen
Beim Glaukom kommt es allmählich zum Untergang von Nervenzellen. Gelingt es, diesen Untergang der Nervenzellen zu verhindern oder zu verlangsamen, so spricht man von Neuroprotektion [245].

Die folgenden Medikamentengruppen haben in der Glaukomtherapie Bedeutung:

Direkte Parasympathomimetika

Pilocarpin und seine Salze sind bereits seit 1876 im Einsatz und repräsentieren die ersten lokalen Glaukom-Medikamente. Sie senken den Augeninnendruck, indem sie die Kanälchen weiten, durch die das Kammerwasser abfließt. Aufgrund ihrer pupillenverengenden Wirkung (griech. miosis) werden sie auch Miotika genannt. Alte Menschen mit einer zusätzlichen Linsentrübung fühlen sich häufig durch die begleitende Miosis beeinträchtigt. Jedoch führen diese Wirkstoffe auch bei jüngeren Patienten zu verschlechtertem Dämmerungssehen, Blendempfindlichkeit oder einer durch das Medikament hervorgerufenen Kurzsichtigkeit (Myopie). Für Pilocarpin, das häufig als Modellarzneistoff für die verschiedensten ophthalmologischen Untersuchungen genutzt wird, existiert eine Vielzahl etablierter und potentieller galenischer Formulierungen (vgl. III.3.1.2, Tabelle 7). Weitere Antiglaukomatosa dieser Gruppe sind Carbachol (Carbamann^®) und Aceclidin (Glaucotat^®) [146].

Betarezeptorenblocker

Seit mehr als 25 Jahren sind Betarezeptorenblocker als Antiglaukomatosa im Einsatz. Sofern beim Patienten keine Gegenanzeigen, wie z.B. Asthma, niedriger Blutdruck oder Herzerkrankungen, bestehen, sind Betablocker (im Allgemeinen in Form von wässrigen Augentropfen) die Therapie der ersten Wahl. Sie müssen 1-2mal täglich getropft werden und verursachen in der Regel kaum okulare Probleme. Die Senkung des Augeninnendrucks erfolgt über eine Drosselung der Kammerwasserproduktion. Auch in Kombinationen mit Pilocarpin (z.B. Fotil^®,^{Normoglaucon^®, Timpilo^®, TP-Ophthal^®) oder Carboanhydrasehemmern (z.B. Cosopt^®) werden Betablocker häufig eingesetzt [245].}

Carboanhydrasehemmer

Seit einigen Jahren gibt es mit Dorzolamid den ersten Carboanhyrasehemmer in Form von Augentropfen (Trusopt^®), der gegenüber dem systemisch zu applizierenden Vorläufer Azetazolamid nur noch lokal am Auge wirkt. Vor kurzem ist eine zweite Substanz, das Brinzolamid, hinzugekommen, das als 1%ige Suspension (Azopt^®) angeboten wird. Die Hemmung des Enzyms Carboanhydrase (vorrangig im Ziliarkörper) führt zu einer Regulation der Kammerwasserproduktion und auf diese Weise zur Senkung des Augeninnendrucks. Außerdem sprechen zahlreiche Untersuchungen mit Dorzolamid dafür, dass die Substanz auch direkt die Durchblutung am Sehnerv und an der Netzhaut verbessert [215]. Für Dorzolamid konnte in Untersuchungen am Tier auch eine Verbesserung der Sauerstoffversorgung des Sehnervs gezeigt werden [215]. Nach dem Eintropfen kann es kurzfristig zu einer Bindehautreizung und gelegentlich metallischem Geschmack im Mund kommen. Die Anwendung erfolgt in der Monotherapie dreimal täglich und in der Kombination mit Betablockern (z.B. Cosopt^® mit Timolol) zweimal täglich.

Alpha-adrenerge Substanzen

Zu dieser Gruppe gehören die Wirkstoffe Clonidin (Aruclonin^®, Clonid-Ophthal^®, Dispaclonidin, Isoglaucon^®), Apraclonidin (Iopidine^®) und das relativ neue Brimonidin (Alphagan^®). Da Brimonidin sehr viel spezifischer auf einen bestimmten Typ der Alpharezeptoren (Alpha-2-Selektivität) wirkt, zeigt die Substanz weniger Nebenwirkungen als ihre Vorgänger. Neben einer Senkung der Kammerwasserproduktion kommt es auch zu einer Verbesserung des Kammerwasserabflusses. Aufgrund von Tierversuchen wird zusätzlich eine neuroprotektive Wirksamkeit vermutet. Nebenwirkungen, die bei den drei Substanzen unterschiedlich ausgeprägt sein können, sind: Blutdrucksenkung, Müdigkeit und Mundtrockenheit [245].

Prostaglandin-Analoga

Auch Prostaglandin-F_2a-Analoga (Latanoprost^®, Travatan^®) werden in der Glaukomtherapie eingesetzt. Da diese Substanzen bereits in sehr kleinen Mengen Wirkung zeigen, ist eine lokale Anwendung nur einmal am Tag notwendig. Prostaglandine bewirken vermutlich eine Entspannung des Ziliarmuskels und über den Ab- bzw. Umbau von Strukturen im Ziliarmuskel eine Verbesserung des Kammerwasserabflusses [174]. Dadurch kann der Augeninnendruck gesenkt werden. Die Prostaglandin-Therapie verursacht bei 20-25% der Anwender eine Augenrötung; in einigen Fällen wird eine dauerhafte Verfärbung der Iris beschrieben [174]. Eine weitere ungewöhnliche Nebenwirkung führt bei einigen Patienten zum verstärkten Wimpernwachstum.

Außerdem kann Bimatoprost (Lumigan^®) angewendet werden. Es ist ein synthetisches Prostamid, das zwar eine strukturelle Ähnlichkeit zu Prostaglandin F_2aaufweist, jedoch nicht über die bekannten Prostaglandinrezeptoren wirkt. Bimatoprost ahmt selektiv die Wirkungen von vor kurzem entdeckten körpereigenen Prostamiden nach [55].

Kombinationen

Kann mit einer Monotherapie der Augeninnendruck nicht ausreichend gesenkt werden oder wird das Gesichtsfeld trotz guter Drucksenkung schlechter, so werden in der Regel Wirkstoff-Kombinationen eingesetzt. Besonders wenn durchblutungsbedingte Risikofaktoren hinzukommen, ist neben der Applikation eines Betablockers die zusätzliche Gabe eines Carboanhydrasehemmers indiziert. Als fixe Kombinationen stehen Betablocker mit Pilocarpin, Betablocker mit Carboanhydrasehemmern und Betablocker mit Prostaglandin (Xalacom^®) zur Verfügung (s.o.).

Diese haben für den Patienten den Vorteil, dass sie gegenüber der Gabe von zwei Einzelpräparaten das Auge nicht übermäßig mit Konservierungsmitteln belasten und die Compliance verbessern. Allerdings ist es heute bereits möglich, auf konservierungsmittelfreie Mehrdosenbehältnisse mit Comod^®-System zurückzugreifen.
Immunologische Erkrankungen
Entzündungen einzelner Abschnitte der Iris, des Ziliarkörpers oder der Aderhaut (Uveitis) können eintreten bei direkten Traumen mit Infektionen des Augeninnern oder bei allgemeiner Sepsis auf hämatogenem Wege. Die klassische Uveitis ist eine allergisch-hyperergische, also immunologisch bedingte Erkrankung. Dabei können Bakterienendotoxine eine Rolle spielen. Nicht selten sind Iritis (Regenbogenhautentzündung), Zyklitis (Entzündung des Ziliarkörpers) oder Chorioiditis (Entzündung der Chorioidea (Aderhaut des Auges)) immunologische Reaktionen der augeneigenen Gewebe auf einen Antigenreiz. Darüber hinaus tritt eine Uveitis häufig im Zusammenhang mit allgemeinen, zum Teil immunologischen Erkrankungen auf. Dazu gehören rheumatische Erkrankungen und Vaskulitiden. Außerdem besteht für einige Uveitiden eine immunologische Disposition durch bestimmte Antigene der Zelloberfäche des HLA-Systems (Human Leucocyte Antigen System). Darunter wird eine Gruppe genetisch determinierter Gewebsantigene des Menschen, die nach Transplantationen auf einen Empfänger, dem Antigene des Transplantats fehlen, Anlass zu einer Transplantatabstoßungs-reaktion geben können, verstanden. Deshalb werden sie auch Transplantations- oder Histokompatibilitätsantigene genannt [177].

Bei einer Keratoplastik (Hornhautübertragung), in deren Folge es zu Immunreaktionen kommen kann, werden dichte Hornhauttrübungen mit einem Trepan entfernt und an ihre Stelle ein gleichartiges, klares Hornhautscheibchen (z.B. kryokonserviert) von verstorbenen Menschen (Allotransplantate) eingenäht. Man unterscheidet eine penetrierende Keratoplastik, bei der die Cornea in ihrer ganzen Dicke ersetzt wird, von einer lamellierenden Operation, bei der vom Wirtsgewebe eine dünne Schicht mit der Descemet-Membran und dem Endothel stehen bleibt und nur eine mehr oder weniger dicke Lamelle des vorderen Stromas ausgetauscht wird [177]. Diese Operation besitzt ein hohes Maß an Sicherheit und hat hohe Erfolgschancen. Die Cornea als Bett des Transplantats bietet wenig Gelegenheit zu einer immunologischen Sensibilisierung. Da der Immunkontakt zum großen Teil über das Kreislaufsystem erfolgt, ist die Gefahr einer Immunreaktion umso größer, je stärker die Wirtscornea vaskularisiert ist (s. Stromale/Epitheliale Immunreaktion). (Vaskularisation bedeutet, dass vom Limbus aus Gefäße in die Hornhaut „hineinwachsen“.)

Eine Immunreaktion nach Keratoplastik ist an einer pericornealen Rötung zu erkennen und kann entweder das Endothel oder das Stroma einschließlich Epithel betreffen:

Abb. 7 : Hypothese für die Induktion molekularer Mechanismen für klassische GC und SEGRA; nach [196]

Endotheliale Immunreaktion: Im Spaltlampenmikroskop treten sichtbar Stellen auf, die sich auf die Rückseite des Transplantats setzen und dort Präzipitate bilden. Sie können, wenn ihre Zahl groß genug ist, das ganze Corneaendothel des Transplantats bedecken. Dann treten eine ödematöse Trübung des Stromas und ein bullöses Ödem des Epithels auf. Das Transplantat ist damit wertlos geworden [177].

Stromale/Epitheliale Immunreaktion: Eine Immunreaktion kann auch von Blutgefäßen ausgehen, die von der Wirtscornea das Transplantat berühren. Hierbei erfolgt eine leukozytäre Invasion in das Stroma mit einer nachfolgenden Vaskularisation. Auf diese Weise wird das vorher klare Transplantat ebenfalls in eine vaskularisierte, gequollene, narbige Hornhaut umgewandelt [177].

Die medikamentöse Therapie okularer immunologischer Erkrankungen nutzt vorrangig die klassischen G luco c orticoide (GC). GC werden seit über 50 Jahren in der Therapie akut und chronisch entzündlicher Erkrankungen eingesetzt, u.a. in der Augenheilkunde (z.B. bei Uveitis oder Immunreaktion nach Keratoplastik). Leider können aber neben den erwünschten entzündungshemmenden bzw. immunsuppressiven Effekten auch schwere und/oder nicht reversible, unerwünschte Nebenwirkungen auftreten [79, 199]. Neben individuellen Faktoren sind Dosierung und Dauer der Therapie ausschlaggebend für die Häufigkeit und den Schweregrad dieser unerwünschten Nebeneffekte. Bisher gab es keine geeignete Alternative zu den GC. Andere antiinflammatorische Therapien sind, zumindest bei bestimmten Indikationen, weniger effektiv oder weisen ein ähnliches Nebenwirkungsprofil auf [196].

Die dargestellten Probleme veranlassten die Schering AG, Berlin, eine neue Klasse antiinflammatorischer Substanzen zu entwickeln, die bei vergleichbar antientzündlichem Potential wie die GC zu weniger unerwünschten Effekten führen. Diese neuen Substanzen werden aufgrund ihrer pharmakologischen Eigenschaften als Se lektive G lucocorticoid- r ezeptor a gonisten (SEGRA) bezeichnet.

Mechanismen (in erster Linie)

Effekt

Transrepression

Unterdrückung von ACTH (adrenocorticotropes Hormon)

Gestörte Wundheilung

Infektionen

Osteoporose

Transaktivierung

Diabetes mellitus

Glaukom

Muskelatrophie/ Muskelmyopathie

Osteoporose

Unbekannte Mechanismen

Kataract

Säureulcus

Hypertension

Tabelle 3 : Zusammenfassung der wichtigsten molekularen Mechanismen einer Anzahl von Glucocorticoid-Nebenwirkungen; nach [196]

Der Wirkmechanismus der beiden Substanzklassen unterscheidet sich folgendermaßen: Die GC-Effekte werden durch einen spezifischen GC-Rezeptor herbeigeführt, der im Zytoplasma lokalisiert ist. Zuerst bildet sich ein Ligand-Rezeptor-Komplex, der dann in den Zellkern eindringt und die Gentranskription entweder durch Transaktivierung (positive Regulation) oder durch Transrepression (negative Regulation) moduliert. Daraus resultiert die Frage, ob diese unterschiedlichen molekularen Mechanismen (Transaktivierung/Protein-DNA-Interaktion auf der einen Seite, Transrepression/Protein-Protein-Interaktion auf der anderen Seite) für bestimmte klinisch unerwünschte Nebeneffekte (Tabelle 3) verantwortlich sind und getrennt werden können. In den letzten Jahren wurde zunehmend wahrscheinlicher, dass bestimmte GC-Nebenwirkungen hauptsächlich durch die Transaktivierung von Genen beeinflusst werden, wohingegen die antiinflammatorischen Wirkungen vorwiegend auf die Transrepression zurückzuführen sind [15, 195, 196, 197].

Deswegen wurde von Schäcke et al. [196] die Hypothese aufgestellt, dass, falls durch neue Substanzen wie die SEGRA die Transrepression stärker induziert wird als die Transaktivierung, die Mehrheit der antiinflammatorischen Wirkungen der GC erreicht wird bei gleichzeitiger Verminderung der Nebenwirkungen (Abb. 7). Obwohl auch hier Neben-wirkungen auftreten, die in erster Linie durch Transrepression verursacht werden, haben diese insgesamt einen weit geringeren Anteil in Bezug auf den Gesamteffekt.

Der Einsatz der SEGRA zur lokalen, okularen Therapie wäre in doppelter Hinsicht interessant, da die unerwünschten Effekte neben dem ohnehin günstigen Wirkungs-/ Nebenwirkungsprofil noch stärker reduziert werden könnten.

Weiterhin wird MMF bisher systemisch zur Therapie okularer immunologischer Erkrankungen eingesetzt [178, 180, 181, 249, 252]. Auch hier ist eine lokale Therapie zur Minimierung von Nebenwirkungen wünschenswert (s. Einleitung).

Arzneistoffe Pilocarpin

Offizinell: Eur. Ph. NT 2001/USP XXVI

Es existieren zwei Monographien von Salzen der Pilocarpin-Base:

Pilocarpinhydrochlorid (C₁₁H₁₆N₂O₂ HCl, M_r = 244,72) = (3S, 4R)-3-Ethyl-4-[(1-methyl-1H-imidazol-5-yl)methyl]dihydro-furan-2(3H)-on-hydrochlorid

Pilocarpinnitrat (C₁₁H₁₇N₃O₅, M_r = 271,3) = (3S, 4R)-3-Ethyl-4-[(1-methyl-1H-imidazol-5-yl)methyl]dihydrofuran-2(3H)-on-nitrat

Eigenschaften
Pilocarpin stellt das Hauptalkaloid der Blätter des Jaborandibaums, Pilocarpus microphyllus (Rutaceae) und anderer Pilocarpusarten [23] dar. Es wird durch die Extraktion von Jaborandiblättern, insbesondere von Pilocarpus microphyllus, gewonnen.

Die freie Pilocarpin-Base ist bei Raumtemperatur eine klare, gelbliche, hochviskose Flüssigkeit, die in Wasser relativ gut löslich ist. Die Substanz ist relativ stabil im Sauren (pH-Stabilitätsoptimum: < 4 [165], 4-5 [224]). Die Instabilität nimmt mit steigendem pH-Wert, vor allem bei erhöher Temperatur, zu. Bei der Salzbildung wird der doppelt gebundene Imidazol-Stickstoff protoniert (pK_a1 = 6,85 [45]), weil dadurch ein mesomeriestabilisiertes Amidinium-Kation entsteht. Das zweite Stickstoffatom bildet nur in sehr saurem Milieu Salze (pKa₂ = 1,43 [45]).

In dieser Arbeit wird Pilocarpinhydrochlorid (P), ein leicht wasserlösliches (1:0,3), kristallines, weißes, leicht hygroskopisches Pulver verwendet.

Der pH-Wert einer wässrigen P-Lösung ist für die ophthalmologische Wirksamkeit entscheidend, da die lipophilere Alkaloidbase wesentlich besser durch die Cornea permeiert als das dissoziierte Alkaloidsalz [10, 172]. Da sich aber, wie zuvor erwähnt, die Stabilität mit steigendem pH-Wert verschlechtert, muss bei einer Augentropfenformulierung von P ein Kompromiss zwischen den Aspekten Stabilität und Wirksamkeit/Verträglichkeit gefunden werden.
Pharmakologie
Pilocarpinhydrochlorid (P) wirkt primär als direktes Parasympathomimetikum. Es löst bei lokaler Anwendung am Auge eine Dauerkontraktion des Musculus sphincter pupillae und des Ziliarmuskels aus. Dadurch wird einerseits die Pupille verengt (Miosis), andererseits der intraokulare Druck durch Erweiterung der Abflusswege des Kammerwassers gesenkt [146].

Die Aufnahme von P nach topischer Applikation am Auge erfolgt in erster Linie über die Hornhaut, weniger über die Bindehaut, und erreicht nach 20-40 min nennenswerte Wirkspiegel im Kammerwasser. Die Resorption ist pH- und konzentrationsabhängig [23].

Allerdings verfügt P über eine geringe okulare Bioverfügbarkeit [101]. Handelspräparate werden üblicherweise auf pH 4 bis 5 eingestellt, um die chemische Stabilität von P zu gewährleisten. In diesem pH-Bereich liegt der Wirkstoff fast vollständig ionisiert vor, was die Permeabilität durch lipophile Membranen wie die Cornea vermindert. Wenn der pH-Wert bis zum physiologischen pH erhöht wird, nimmt die okulare Arzneistoffabsorption zu [92].

P wird als 0,5 bis 4%ige Lösung zur lokalen Applikation in den Bindehautsack für die akute und die Dauerbehandlung des Glaukoms mit einem Wirkungseintritt nach 30 bis 40 min und einer Wirkungsdauer von 6 bis 8 h verwendet [85].

Nachteilig ist, dass das Auge durch die P bedingte Kontraktion des Ziliarmuskels auf den Nahpunkt akkomodiert wird, was zu vorübergehenden Sehstörungen im Sinne einer Kurzsichtigkeit (Myopie) führt [146]. Die Anwendung von P führt deshalb zur Beeinträchtigung des Verkehrsvermögens (Beeinflussung des Reaktionsvermögens).

Handelspräparate (Ophthalmika) Rote Liste 2003:Augenöl:(Pilocarpin-Base:) Pilocarpol^®, Pilocarpin ankerpharm, Pilomann^®-Öl; Augentropfen: (Pilocarpin-HCl:) Borocarpin^®, Pilocarpin ankerpharm^®, Pilomann^®, Pilo-Stulln^®, ^{Spersacarpin^® (Pilocarpinnitrat:) Pilopos^®; Augensalbe: Spersacarpin^®}
β-Adrenozeptor-Antagonisten
β-Adrenozeptor-Antagonisten werden als b-Adrenorezeptorenblocker, b-Rezeptoren-Blocker, b-Blocker und b-Sympatholytika bezeichnet.
Struktur und Eigenschaften
Strukturell können β-Blocker wie folgt eingeteilt werden: Strukturverwandtschaft mit Isoprenalin (I), Phenylethanolamin-Typ (II) bzw. Aryloxy-amino-propanolol-Typ (III).

Das essentielle Strukturelement ist – mit Ausnahme des Substituenten am NH (vgl. Tabelle 4) – in gleicher Form in den natürlichen Transmittern Adrenalin und Noradrenalin enthalten. Durch die Einführung von –O-CH₂- in die Phenylethanolamin-Atomfolge entstehen aus β-Sympathomimetika β-Sympatholytika, ebenso durch „ungewöhnliche“ Substituenten am Benzol-Ring [187]. Bei (I) und (II) sind die Wirkstoffe mit (R)-Konfiguration wirksamer als die entsprechenden Antipoden, bei (III) sind nur diejenigen mit (S)-Konfiguration überhaupt wirksam [187].

Der erste Wirkstoff, an dem β-sympatholytische Wirkung festgestellt wurde, war Dichlorisoprenalin (DCI). Jedoch ist diese Substanz auch ein partieller Agonist mit sympathomimetischer Wirkung und somit therapeutisch nicht brauchbar. Durch Molekülprofilierung gelang es, Verbindungen herzustellen, die keine oder nur schwache sympathomimetische Eigenwirkung (ISA = intrinsic sympathomimetic activity) besitzen. Indem eine –O-CH₂-Gruppe zwischen Aromat und C 1 (entspricht C 2 in Tabelle 4) eingeschoben wurde, entstanden die b-Blocker vom Typ des Propranolols. Eine strukturchemisch einheitliche Gruppe stellen die Arylether chiraler 1-Amino-2,3-propandiole dar. Sie besitzen stets eine sekundäre Aminogruppe mit dem sperrigen Isopropyl- oder tert.-Butyl-Rest [187].

Tabelle 4 stellt die im Folgenden verwendeten β-Blocker dar. Pindolol, Mepindolol, Alprenolol und Oxprenolol weisen eine N-Isopropyl-Gruppe auf, wobei Alprenolol und Oxprenolol in Position 2 am Aromaten substituiert sind und Pindolol und Mepindolol eine heterocyclische Aryl-Gruppe besitzen.

Bezeichnung (Molformel)

Substituent (Ar-)

Pindolol (C₁₄H₂₀N₂O₂)

1-(4-Indolyloxy)-3-(isopropylamino)-2-propanol

= 4-[2-Hydroxy-3-(isopropylamino)propoxyl]-indol

= 1-(1H-Indol-4-yloxy)-3-[(1-methylethyl)-amino]-2-propanol

Mepindolol (C₁₅H₂₂N₂O₂)/ Mepindololsulfat (C₃₀H₄₆N₄O₈S)

1-(Isopropylamino)-3-[(2-methyl-4-indolyl)oxy]-2-propanol

= 1-[(1-Methylethyl)amino]-3-[2-methyl-1H-indol-4-yl)oxy]-2-propanol

Metoprolol (C₁₅H₂₅NO₃)/ Metoprololtartrat (C₃₄H₅₆N₂O₁₂)

(±)-1-Isopropylamino-3-[p-(2-methoxyethyl)phenoxy]-2-propanol

= (±)-1-[4-(2-Methoxy-ethyl)phenoxy]-3-[(1-methylethyl)amino]-2-propanol

Betaxolol (C₁₈H₂₉NO₃)/ Betaxolol-HCl (C₁₈H₃₀ClNO₃)

1-[p-[2-(Cyclopropylmethoxy)ethyl]phenoxy]-3-isopropylamino-2-propanol

= 1-[4-[2-Cyclopropylmethoxy)ethyl]phenoxy]phenoxy]-3-[(1-methylethyl)-amino]-2-propanol

Alprenolol (C₁₅H₂₃NO₂)/ Alprenolol-HCl (C₁₅H₂₄ClNO₂)

1-(o-Allylphenoxy)-3-(isopropylamino)-2-propanol

= 1-[(1-Methylethyl)amino]-3-[2-(2-propenyl)phenoxy]-2-propanol

Oxprenolol (C₁₅H₂₃NO₃)/ Oxprenolol-HCl (C₁₅H₂₄ClNO₃)

1-[o-(Allyloxy)phenoxy)-3-(isopropylamino)-2-propanol

= 1-[(1-Methylethyl)amino]-3-[2-(2-propenyloxy)phenoxy]-2-propanol

Tabelle 4 : Chemische Struktur der verwendeten b-Blocker

¹P: wässriger Puffer, ²selbst bestimmt
Bezeichnung

M_r

Säure-, Baseeigenschaften

Verteilungskoeffizient (V_K)

pK_a

pK_b

(Octanol/P¹
pH 7,0)

(Octanol/P¹
pH 7,4)

Pindolol

248,32

8,8 [42]
9,7 (24°C) [42]

4,3 (24°C) [23]

0,20 [108];
7,9 [23]

1,20 [225]

Mepindolol

Mepindololsulfat

262,36

622,78

8,9 [75]

0,54 [108]

0,79²

Metoprolol

Metoprololtartrat

267,4

684,8

9,7 [42]
8,9 [25];
9,7 [42]

4,3 [42]

0,18 [42, 108]

1,58 [225]

Betaxolol

Betaxolol-HCl

307,4

343,9

9,4 [169]

3,9 [108]

Alprenolol

Alprenolol-HCl

249,4

285,81

9,5 (20°C) [42]

4,5 (20°C) [24]

3,3 [108, 42]

21,88 [225]

Oxprenolol

Oxprenolol-HCl

265,34

301,85

9,5 [42]
9,5 ± 0,1 [36]

4,5 [25]

0,51 [108]

5,25 [225]

Tabelle 5 : Relative Molekülmassen (Mr), Säure-Baseeigenschaften und Verteilungs-koeffizienten (VK) der verwendeten b-Rezeptorenblocker

Pharmakologie
β-Adrenozeptor-Antagonisten hemmen kompetitiv β-Adrenozeptoren. Durch Blockade von β₁-Rezeptoren wird die positiv inotrope und chronotrope Wirkung der Catecholamine am Herzen und durch Blockade von β₂-Rezeptoren deren erschlaffende Wirkung an der glatten Muskulatur aufgehoben. Weiterhin hemmen β-Blocker (durch β-Rezeptorblockade) Stoffwechseleffekte der Catecholamine (Glykogenolyse, Lipolyse). Therapeutisch wird vor allem die β₁-Blockade angestrebt [147].

Man unterscheidet β-Blocker mit oder ohne β₁-Selektivität (sog. Cardioselektivität), partielle agonistische Aktivität (PAA) = intrinsische sympathomimetische Aktivität (ISA), unspezifische Membranwirkung und zusätzlichen vasodilatatorischen Effekt [147].

b ₁ -selektive b-Blocker haben den Vorteil, dass sie eine höhere Affinität zu β₁- als zu β₂-Rezeptoren aufweisen (z.B. Metoprolol und Betaxolol, Tabelle 6). Allerdings geht die Selektivität bei höherer Dosierung meist verloren; sie ist demzufolge nur relativ und nicht absolut. (Die klinische Bezeichnung Cardioselektivität ist nicht korrekt, da β₁-Rezeptoren nicht nur im Herzen, sondern auch in anderen Organen vorkommen. Allerdings ist die β₁-Rezeptorendichte im Herzen besonders groß.) Trotz dieser Einschränkung ist die β₁-Selektivität bei den meisten Indikationen für β-Blocker wünschenswert. Ein Teil der Nebenwirkungen nicht selektiver β-Blocker kann mit solchen Stoffen vermindert werden.

Wird bei einem β-Adrenozeptorenblocker angegeben, dass er partielle agonistische Aktivität besitzt, so bedeutet dies, dass es sich um eine dualistisch wirkende Substanz (partieller Agonist, partieller Antagonist) mit vorwiegend antagonistischer Wirkungskomponente handelt. Der Stellenwert der ISA ist noch nicht völlig geklärt. In den meisten Fällen dürfte aber der agonistischen Wirkungskomponente wenig Bedeutung zukommen [146]. Die Ruhefrequenz des Herzens wird bei β-Blockern mit ISA weniger stark gesenkt als bei anderen β-Blockern, was bei Patienten, die zu bradykarden Rhythmusstörungen neigen, vorteilhaft ist. Allerdings sind aber auch hier bedrohliche Bradykardien beobachtet worden.

Unter der unspezifischen Membranwirkung versteht man eine lokalanästhetische, membran-stabilisierende Wirkungskomponente, die von der β-blockierenden Wirkung unabhängig ist. Im Allgemeinen nimmt sie mit steigender Lipophilie der β-Blocker zu. Bei üblicher Dosierung sind die membranstabilisierenden Wirkungen wenig bedeutsam, da letztere erst bei Gewebekonzentrationen auftreten, die wesentlich höher liegen als die, welche für die Blockade der β-Rezeptoren erforderlich sind.

Bei den β-Blockern mit zusätzlich vasodilatierender Komponente beruht der gefäßerweiternde Effekt auf einer gleichzeitigen α₁-Adrenozeptorblockade (Carvedilol) oder einer partiellen agonistischen Aktivität an β₂-Rezeptoren (Celiprolol).

β-Blocker sind meistens als Racemat im Handel. Allerdings wirkt das S-Enantiomer bei systemischer Anwendung (z.B. zur Bluthochdrucktherapie) etwa 50 bis 100-fach stärker β-blockierend als das R-Enantiomer. Als S-Enantiomere sind jedoch bisher nur Timolol und Penbutolol im Handel [188].

Zur Glaukomtherapie können dagegen (nach heutigem Wissensstand) beide Enantiomere mit gleichem Effekt angewendet werden. Um eine systemische Nebenwirkung zu vermeiden, wäre es also sinnvoll, zur topischen Anwendung am Auge das reine R-Enantiomer anzuwenden, was bisher noch nicht geschieht [188].

Tabelle 6 führt die zuvor beschriebenen pharmakologischen Wirkungsparameter der in dieser Arbeit verwendeten β-Blocker auf. Die strukturverwandten Arzneistoffe Metoprolol und Betaxolol weisen β₁-Selektivität auf. Pindolol, Mepindolol, Alprenolol und Oxprenolol besitzen intrinsische, sympathomimetische Aktivität.

β₁-Selektivität

ISA

Unspezifische

Membranwirkung

Pindolol

-

+

(+)

Mepindolol

-

+

(+)

Metoprolol

+

-

(+)

Betaxolol

+

-

(+)

Alprenolol

-

+

+

Oxprenolol

-

+

(+)

Tabelle 6 : Pharmakologische Wirkungsparameter von b-Blockern; nach [ 108 ];
ISA = Intrinsische sympathomimetische Aktivität als Maß für die agonistische Wirkung

b-Blocker sind indiziert, wenn das b-adrenerge System bei der Entstehung oder Aufrechterhaltung des jeweiligen Krankheitsbildes maßgeblich beteiligt ist. Demzufolge werden b-Blocker bevorzugt bei koronarer Herzkrankheit, funktionellen Herz-Kreislaufstörungen, Herzrhythmusstörungen und Hypertonie eingesetzt.

Bei der Behandlung des Glaukoms wird durch b-Blocker die Kammerwasserproduktion gesenkt und somit der Augeninnendruck vermindert. Der Mechanismus der Drucksenkung ist allerdings noch nicht vollständig geklärt [146].

Die relevantesten Nebenwirkungen bei topischer Anwendung der b-Blocker treten an Herz, Kreislauf und den Atemwegen durch ihre Hemmwirkung an den sympathischen Rezeptoren auf, d.h., sie gehen auf denselben Wirkungsmechanismus zurück wie die therapeutischen Wirkungen [246].

Als unspezifische Nebenwirkungen, insbesondere bei systemischer Applikation, sind gastrointestinale Symptome, wie z.B. Übelkeit, Erbrechen, Diarrhoe, beschrieben. Weiterhin kann es zu zentralnervösen Störungen, wie Müdigkeit, Abgeschlagenheit, Benommenheit und Kopfschmerzen, kommen. Das Risiko von Nebenwirkungen am ZNS, vor allem die Müdigkeit, ist bei den gut lipidlöslichen b-Rezeptorenblockern am größten, bei den hydrophilen Stoffen am geringsten [108]. Als spezifische Nebenwirkungen durch die Blockade der b-Rezeptoren sind Zunahme des Atemwegwiderstands, Bradykardien, Abnahme der Kontraktionskraft des Herzens, hypotone Kreislaufstörungen, Verschlechterung peripherer Durchblutungsstörungen sowie Verstärkung von Hypoglykämien bei jugendlichen Diabetikern mit Neigung zu Ketoazidose zu nennen. Alprenolol, Mepindolol, Metoprolol und Pindolol können am Auge eine Verminderung des Tränenflusses bewirken. Dieser unerwünschten Wirkung kann durch Anwendung von künstlicher Tränenflüssigkeit Abhilfe geschaffen werden [108].

Tabelle 7 führt Handelspräparate (Stand: deutscher Markt, Rote Liste 2003) auf, die b-Blocker enthalten und am Auge angewendet werden. Von den in dieser Arbeit ausgewählten Wirkstoffen gelangen bisher nur Pindolol und Betaxolol zur kommerziellen ophthalmologischen Anwendung. Die okular angewendeten b-Blocker sind in 0,1/0,25/ 0,5%iger Konzentration – berechnet auf die entsprechende Arzneistoff-Base – im Handel.

Die genannten systemischen Nebenwirkungen bei okularer b-Blocker-Gabe sind vor allem durch den Abfluss der Tränenflüssigkeit via Tränennasengang über die Nasenschleimhaut (III.2.1) zu erklären [60] und lassen sich vermindern, indem der Patient nach Eintropfen der Lösung ins Auge mit der Fingerkuppe am medialen Augenwinkel 1-2 min einen Druck auf die Tränenkanälchen ausübt und damit diesen Abflussweg blockiert [108].

Am besten sind die Nebenwirkungen von Timolol beschrieben. Die lokalen Nebenwirkungen entsprechen denen, die auch bei anderen am Auge angewandten Wirkstoffen auftreten können. Sie bestehen aus Brennen (25%), Tränenfluss (4,6%), akuten Schmerzen (1,4%) und Photophobie (1,2%). Die systemischen Nebenwirkungen sind geringer als nach Anwendung gleich großer peroraler Dosen. Bei empfindlichen Personen, langsamen Metabolisierern oder Patienten mit vorgeschädigten Organen können sie jedoch eine ernstzunehmende Bedeutung haben. Unter der Gesamtzahl der systemischen Nebenwirkungen haben die Nebenwirkungen am ZNS einen Anteil von 34%, an Herz und Kreislauf 31%, an Atemwegen 20%, an der Haut 11% und am Magen-Darm-Trakt 4% [145].

Ein Anliegen dieser Arbeit war es, durch die Anwendung von CDen in Augentropfen, die durch Betablocker verursachten Nebenwirkungen zu reduzieren. Da, wie zuvor beschrieben, einige Betablocker durch „Aufreißen des Tränenfilms“ zur Verminderung des Tränenflusses führen, könnten CDe auf den Tränenfilm stabilisierend wirken. Studien aus der Literatur [212] berichten über den Einsatz von CDen zur Therapie des „Trockenen Auges“. Demzufolge könnten CDe als Hilfsstoffe in Tränenersatzflüssigkeiten eingesetzt werden. In Kombination mit Betablockerpräparaten wäre dann keine – wie häufig erforderlich – zusätzliche Anwendung mit künstlicher Tränenflüssigkeit notwendig.

Weiterhin könnte die Anwendung von CDen in Augentropfen im Zusammenhang mit Betablockern zu einer Retardierung der Arzneistofffreisetzung führen. Dies hätte eine erwünschte Verminderung der Applikationsfrequenz zur Folge und würde somit sowohl lokale als auch systemische Nebenwirkungen reduzieren.

AT: Augentropfen; gl: Gel; ¹⁾bisher kein Augentropfenpräparat bekannt
Betablocker

Salz

Handelspräparate

(Rote Liste 2003)

Hersteller

Monopräparate

Pindolol

Glauco-Stulln^® AT

Pharma Stulln

Pindoptan^® AT

Kanoldt

Mepindolol

٪1)

Metoprolol

٪1)

Betaxolol

-hydrochlorid

Betoptima^® AT

Alcon

Alprenolol

٪1)

Oxprenolol

٪1)

Carteolol

-hydrochlorid

Arteoptic^® AT

Novartis Ophthalmics

Levobunolol

-hydrochlorid

Vistagan^® AT

Pharm-Allergan

Timolol

-hydrogenmaleat

Arutimol^® AT

Chauvin ankerpharm

Chibro-Timoptol^® AT

Chibret

dispatim^® AT/ gl

Novartis Ophthalmics

duratimol^® AT

durachemie

NyoGel^® gl

Novartis Ophthalmics

Timo-COMOD^® AT

Ursapharm

Timo-EDO^® AT

Dr. Mann Pharma

Timohexal^® AT

Hexal

Timolol CV AT

Novartis Ophthalmics

Timolol-POS^® AT

Ursapharm

Timolol-ratiopharm^® AT

ratiopharm

Timomann^® AT

Dr. Mann Pharma

Tim-Ophthal^® AT

Winzer

Timosine^®/ -mite AT

Chibret

Timo-Stulln^® AT

Pharma Stulln

Metipranolol

-hydrochlorid

Betamann^® AT

Dr. Mann Pharma

Kombinationspräparate mit Pilocarpinhydrochlorid

Timolol

-hydrogenmaleat

Fotil^® AT

Novartis Ophthalmics

Timpilo^®/ -forte AT

Chibret

TP-Ophthal^® AT

Winzer

Metipranolol

-hydrochlorid

Normoglaucon^®/ -mite AT

Dr. Mann Pharma

Tabelle 7 : Handelspräparate (Betarezeptorenblocker in Ophthalmika)

Mycophenolatmofetil (MMF) und Mycophenolsäure (MPA)

Es existiert keine Monographie von Mycophenolatmofetil (MMF) bzw. Mycophenolsäure (MPA) in der Ph.Eur. / USPXXVI.

Mycophenolatmofetil (C₂₃H₃₁NO₇; M_r = 433,5)

2-(4-Morpholin)ethyl-(E)-6-(1,3-dihydro-4-hydroxy-6-methoxy-7-methyl-3-oxo-5-isobenzo-furanyl)-4-methyl-hexenoat (Martindale)

Mycophenolsäure (C₁₇H₂₀O₆; M_r = 320,3) als aktiver Metabolit des MMF

6-(4-Hydroxy-6-methoxy-7-methyl-3-oxo-1,3-dihydro-isobenzofuran-5-yl)-4-methyl-hex-4-ensäure (Hagers Handbuch)
Eigenschaften
MMF ist der Morpholino-Ethyl-Ester der MPA, eines Gärungsproduktes verschiedener Pilzarten der Gattung Penicillium. MPA wurde zunächst als Antibiotikum und antitumorales Medikament geprüft. In klinischen Studien (die allerdings nicht abgeschlossen wurden) wurde die Substanz für die Behandlung von Psoriasis getestet. Erst auf der Suche nach Substanzen mit selektiver antiproliferativer Wirkung auf Lymphozyten, wurde MMF bzw. der aktive Metabolit MPA, wieder interessant. Eine Veresterung von MPA zum Morpholinoethylester MMF steigerte die Bioverfügbarkeit nach oraler Gabe bei nicht-menschlichen Primaten durch verstärkte Absorption [82].

Das Prodrug MMF ist ein weißes, kristallines Pulver, sehr schwer löslich in Wasser (43 µg/ml bei pH 7,4; Raumtemperatur); die Löslichkeit nimmt im sauren Medium zu (4,27 mg/ml bei pH 3,6). Die Säure/Base-Eigenschaften stellen sich in einem pK_a-Wert von 5,6 für die Morpholinogruppe und einem pK_a-Wert von 8,5 für die Phenolgruppe dar [7, 141]. Der Verteilungskoeffizient V_K in 1-Octanol/wässriger Puffer pH 7,0 beträgt 2,95 [186], der V_K in 1-Octanol/GBR-Puffer pH 7,4 wurde zu 23,41 [202] bestimmt. MMF ist bei 25°C und atmosphärischem Druck stabil. Durch Wärme und Peroxide wird der Abbau von MMF zum Hauptspaltungsprodukt MPA katalysiert [82]. Der aktive Arzneistoff MPA ist ebenfalls schwer löslich in Wasser (63,9 µg/ml), der V_K in 1-Octanol/GBR-Puffer pH 7,4 wurde zu 3,73 [202] ermittelt.

Als Handelspräparat existiert Cellcept^®, welches oral oder intravenös verabreicht wird.
Pharmakologie
Mycophenolatmofetil (MMF) ist ein Lymphozytenhemmstoff, der nach oraler oder intravenöser Gabe rasch resorbiert und zu Mycophenolsäure (MPA), dem aktiven Metaboliten, metabolisiert wird. MPA ist ein selektiver, nicht-kompetitiver und reversibler Hemmer der Inosinmonophosphat-Dehydrogenase. Dadurch erfolgt eine Hemmung der de-novo-Synthese der Guanosin-Nucleotidsynthese ohne Einbau in die DNA (Hemmung bewirkt einen Nucleotidmangel in den Zellen, der die Proliferationsrate verlangsamt). Da Lymphozyten stärker als andere Zelltypen auf den de-novo-Syntheseweg als auf den Wiederverwertungsstoffwechsel angewiesen sind, wirkt MPA bzw. MMF in diesen stärker zytostatisch als in anderen Zellen. Auf diese Weise werden die Lymphozyten durch eine langsame Proliferationsrate und Veränderungen der Oberflächenglykolisierung der Adhäsionsmoleküle in ihrer Fähigkeit geschwächt, Allotransplantate und Organtransplantate zu erkennen und zu beseitigen [9, 244].

Abb. 8 : Ablauf der Immunkaskade mit Angriffsorten von Cyclosporin und Mycophenolat-mofetil; nach [179]; Doppelstrich: Hemmung durch MMF

Allerdings kann MMF direkt nach peroraler Gabe Nebenwirkungen, wie Diarrhöe, Übelkeit, Erbrechen und Bauchschmerzen, verursachen. Nach längerer Anwendung kann MMF auch zu Myelotoxizität (Leukopenie, Anämie, Thrombozytopenie, Panzytopenie), Sepsis, Neuro-toxizität (Tremor, Schwindel) führen sowie zu Stoffwechselwirkungen (pathologische Glucosetoleranz bis Diabetes mellitus, Hyperurikämie, Hyperkaliämie, Hypophosphatämie). Weiterhin ist es möglich, dass ein arterieller Hypertonus auftritt oder Infektionen (viral, bakteriell, mykotisch, protozoal) auftreten [211, 244].
ZK 216771

ZK 216771 (C₂₂H₂₀BrF₃N₂O₅; M_r = 529,307) = (+)-4-(5-Brom-2-hydroxyphenyl)-2-hydroxy-4-methyl-N-(4-methyl-1-oxo-1H-2,3-benzoxazin-6-yl-2-(trifluormethyl) pentanamid
*Chiralität noch nicht aufgeklärt

ZK 216771 ist gut löslich in organischen Lösungsmitteln, wie DMSO, Ethanol, Methanol und Ethylacetat. Die Wasserlöslichkeit beträgt 7,4 mg/l bei pH 7,4 in 0,05 M Phosphatpuffer bei einer Temperatur von 37° C. Der Verteilungskoeffizient V_K (pH = 7,4) wurde von Schering experimentell durch HPLC (Säule: Sphärisorb ODS 2, Material: 3 µm, Durchmesser: 4,6 mm, 6 cm lang; Mobile Phase: MeOH/ NaOAc pH 7,0 (75 : 25)) bestimmt und beträgt 316,2 (log V_K = 2,5). Der Schmelzpunkt liegt bei 237-239°C.

Zeit [h]

Abbaurate [%]

1

5

2

11

24

33

Tabelle 8 : Stabilität von ZK 216771 in 0,05 M Phosphatpuffer (pH = 7,4) bei 37°C

Stabilitätsuntersuchungen von ZK 216771 in gepufferter Lösung von pH 7,4 wurden ebenfalls von Schering durchgeführt (Tabelle 8).

In 0,01 N Salzsäure (pH = 2) erwies sich ZK 216771 über 24 h als 100%ig stabil.

Eine hydrolytische Spaltung führt durch Spaltung der Säureamidstruktur zur freien Säure und zum primären Amin. Bekannt ist weiterhin die basenkatalysierte Hydrolyse des Benzoxazinonringes [198].
ZK 247756

ZK 247756 (C₂₂H₁₈ClF₃N₂O₄; M_r = 466,8412) = (+)-3-[1-(2-Chlorphenyl)cyclopropyl]-2-hydroxy-N-(4-methyl-1-oxo-1H-2,3-benzoxazin-6-yl)-2-(trifluormethyl)propanamid
*Chiralität noch nicht aufgeklärt

Die Wasserlöslichkeit von ZK 247756 beträgt2,6 mg/l (pH 7,4) in 0,05 M Phosphatpuffer bei 37° C. Die Substanz ist leicht löslich in Ethanol.

Hilfsstoffe / Trägersysteme Cyclodextrine
Abb. 9 : Chemische Struktur (a) und zylindrische Gestalt (b) eines b-Cyclodextrin-Moleküls

In der Ph.Eur. existiert nur Betadex (b-Cyclodextrin) als Cyclo-a-(1-4)-D-hepta-gluco-pyranosid der Summenformel ([C₆H₁₀O₅]₇; M_r = 1135).
Cyclodextrine allgemein
Obwohl Cyclodextrine (CDe) als Hilfsstoffgruppe in der Pharmazie erst neuerdings Relevanz haben, sind sie als chemische Verbindungen schon seit über 100 Jahren bekannt [118]. Der Anfang der CD-Chemie lässt sich bis in den ersten Teil des 20. Jahrhunderts zurückverfolgen, und das erste Patent auf CDe und seine Komplexe wurde 1953 erteilt [62]. Jedoch konnten bis 1970 aufgrund der sehr hohen Produktionskosten nur kleine Mengen an CDen hergestellt werden, was eine breit gefächerte Anwendung allgemein verhinderte. Neueste bio-technologische Fortschritte führten zur entscheidenden Verbesserung der CD-Gewinnung und somit zur Senkung der Produktionskosten. Mittlerweile sind hochreine CDe und CD-Derivate verfügbar, die auch als pharmazeutische Hilfsstoffe geeignet und von Interesse sind. Ihre pharmazeutische Verwendung dient in erster Linie der Verbesserung der Wasserlöslichkeit und der Stabilität von Wirkstoffen sowie der Modifizierung von deren Bioverfügbarkeit. Weiterhin können CDe Arzneistoff-Arzneistoff-Interaktionen oder Arzneistoff-Hilfsstoff-Interaktionen verhindern, gastro-intestinale oder auch okulare Irritationen reduzieren sowie unangenehmen Geschmack oder Geruch überdecken [118].

¹molarer Substitutionsgrad: 0,6 (HP-α-CD); 0,58-0,73 (HP-β-CD); 0,5-0,7 (HP-γ-CD)
c_S = Sättigungslöslichkeit in Wasser
Cyclodextrin

Glucopyranose-

Einheit

Durchmesser [Å]

(Zentrale Kavität)

Relative

Molekülmasse

c_s [g/100ml];

25°C

α-CD

6

4,7-5,3

~972 [118]

14,5 [237]

HP-α-CD¹

~1238 [236]

60 [236]

α-CD-Pol

3-5000 [39]

>33 [39]

CM-α-CD-Pol

6-8000 [39]

>20 [39]

β-CD

7

6,0-6,5

~1135 [118]

1,85 [118]

HP-β-CD¹

~1400 [235]

50 [235]

γ-CD

8

7,5-8,3

~1297 [118]

23,2 [118]

HP-γ-CD¹

~1576 [234]

80 [235]; >150 [234]

Tabelle 9 : Einige Charakteristika der nativen a-, b- und g-Cyclodextrine und ausgewählter Derivate

CDe sind zyklische Oligosaccharide, die aus 1,4-α-glykosidisch verknüpften Glucose-einheiten bestehen. Sie besitzen einen relativ apolaren zentralen Hohlraum und eine hydrophile äußere Oberfläche. Da sich die Bindungen zwischen den Glucopyranose-Einheiten nicht frei drehen können, sind CDe keine zylindrischen, sondern kegelförmige Moleküle. Die primären Hydroxylgruppen befinden sich auf der engeren Seite des Zylinders, die sekundären Hydroxylgruppen auf der weiteren Seite (Abb. 9).

Die am weitesten verbreiteten CDe sind α-, β- und γ-CD. Sie bestehen aus sechs, sieben bzw. acht Glucopyranose-Einheiten (Tabelle 9). Die Polarität des Hohlraums, in dem die Etherbrücken und sekundären OH-Gruppen vorherrschen, wurde mit derjenigen einer wässrig-ethanolischen Lösung verglichen [118]. Diese vergleichsweise apolare Mikro-umgebung macht es für passende, lipophile Moleküle bzw. Molekülteile möglich, in der Kavität „fixiert“ zu werden und so Einschlussverbindungen zu bilden. Diese werden über Nebenvalenzbindungen stabilisiert. In wässriger Lösung befinden sich freie Arzneistoff-moleküle im Gleichgewicht mit komplexierten (Arzneistoff/CD-Komplex) Molekülen.

Abb. 10 : Gleichgewicht: Wirtsfreier Arzneistoff und Gastmolekül (Cyclodextrin) mit ihrem 1:1-Komplex; nach [118]

Abb. 11 : Gleichgewicht: Freier Arzneistoff und Cyclodextrin mit ihrem 1:2-Komplex; nach [118]

Die meisten pharmazeutisch verwendeten Substanzen bilden 1:1-Komplexe mit CDen (Abb. 10). In Abhängigkeit von Struktur und Eigenschaften der Arzneistoffe sowie vom ausgewählten CD sind auch Komplexe höherer Ordnung möglich (Abb. 11).
Cyclodextrine in Ophthalmika
Zur Anwendung von CDen in der Ophthalmologie wurden in den letzten Jahren eine Reihe von Experimenten und Studien durchgeführt [47, 122, 127, 171, 214]. CDe werden ophthalmologisch eingesetzt, um die Wasserlöslichkeit schwerlöslicher Arzneistoffe zu erhöhen (und damit z.T. eine topische Applikation überhaupt erst zu ermöglichen), um die Stabilität von Arzneistoffen in wässriger Lösung zu verbessern, um die Verfügbarkeit am Auge zu optimieren und um lokale okulare Reizungen zu vermindern oder auszuschließen [122, 127].

Von herausragendem Interesse ist der Einfluss von ausgewählten CDen auf die okulare Arzneistofffreisetzung. Die okulare Barriere für die Arzneistoffpermeation in das Auge besteht aus vorrangig lipophilen Membranen (Cornea, Conjunctiva, Sclera). Der Außenseite der Cornea liegt jedoch eine hydrophile Mucinschicht auf, die von dem wässrigen Tränenfilm überzogen ist. Im Idealfall sollte das Arzneistoffmolekül sowohl hydrophile als auch hydrophobe Eigenschaften aufweisen, um die einzelnen Barrieren (Tränenfilm→ Epithel→ Stroma→ Endothel) des Auges überwinden zu können [127].

Abb. 12 : Der vermutliche Mechanismus der Arzneistoffpenetration von wässrigen, cyclodextrinhaltigen Augentropfen; nach [122]

Die bevorzugten Transportmechanismen sind, je nach physikalisch-chemischen Parametern des Wirkstoffs, die passive und die Porendiffusion. Obwohl durch Komplexbildung mit CDen die Wasserlöslichkeit vieler lipophiler Moleküle erheblich zu verbessern ist, resultiert daraus nicht unbedingt ein direkter Einfluss auf die Membranpermeabilität. Die CD-Moleküle sind verhältnismäßig groß (vgl. Tabelle 9) und deshalb in der Regel nicht prädestiniert, biologische Membranen zu permeieren [117, 127, 171]. Da sie aber als Lösungsvermittler für hydrophobe Moleküle fungieren, sind sie in der Lage, die Verfügbarkeit dieser Arzneistoffe auf der Membranoberfläche zu erhöhen. Nach dem Modell in Abb. 12 verläuft der Arzneistoff-transport durch die Mucinschicht diffusionskontrolliert, wohingegen der Transport durch die Membran (hier Cornea) membrankontrolliert ist.

Ob durch CD-Komplexierung die okulare Verfügbarkeit eines Arzneistoffs erhöht oder vermindert wird, ist erstens von der Polarität des Arzneistoffs (Verteilungskoeffizient) abhängig und zweitens von der verwendeten CD-Konzentration. Zum Beispiel konnte an dem hydrophoben Molekül Arachidonylethanolamid [91] gezeigt werden, dass bei einer niedrigen Konzentration von HP-β-CD, solange der Arzneistoff noch in Form einer Suspension vorliegt, der Flux (s. Untersuchungen, IV.3.1.2) mit steigender CD-Konzentration zunimmt. Im Bereich höherer CD-Konzentrationen hingegen, wenn der Arzneistoff vollständig in Lösung vorliegt, nimmt der Flux mit zunehmender CD-Konzentration ab.

Tabelle 10 führt bisher untersuchte Einflüsse unterschiedlicher CD-Derivate auf okular angewendete Arzneistoffe auf.

Arzneistoff

Cyclodextrin

Effekt

Referenz

Acetazolamid

HP- β -CD

Löslichkeit↑
Bioverfügbarkeit ^M ↑

[98, 119, 128 ]

Amphotericin B

γ -CD

Löslichkeit↑

[ 170 ]

Anandamid

HP- β -CD

Löslichkeit↑
Stabilität↑
Corneale Penetration ^K ↑

[ 91 ]

[ 151 ]

Chloramphenicol

β -CD

Löslichkeit↑

[ 1 ]

Cyclosporin

α -CD

Löslichkeit↑
Bioverfügbarkeit ^K ↑

[ 96 ]
[ 34 ]

Delta9-tetrahydrocannabinol

α -CD

Transcornealer Flux ^K in vitro

[ 99 ]

Dexamethason

HP- β -CD

Löslichkeit↑
Stabilität↑
Bioverfügbarkeit ^M ↑

[ 121 , 229 ]
[ 229 ]
[ 107, 191, 229 ]

Diclofenac

HP- β -CD

Löslichkeit↑
Corneale Penetration↑

[ 176 ]

Tabelle 10 : Einfluss von Cyclodextrinen auf die Eigenschaften einiger okular angewendeter Arzneistoffe

↑ = gesteigerter Effekt, ↓ = verminderter Effekt, 0 = kein Effekt;
BioverfügbarkeitK: Kaninchen, M: Mensch, R: Rind
Arzneistoff

Cyclodextrin

Effekt

Referenz

HP-γ-CD

Löslichkeit↑
Stabilität↑
Corneale Penetration↑
Bioverfügbarkeit^K↑

[221]

Dipivefrin

SBE7-β-CD

Löslichkeit↑
Stabilität↑
Corneale Aufnahme^K↓

[89]

Ethoxyzolamid

HP-β-CD

Löslichkeit↑

[119]

Hydrocortison

HP-β-CD

Löslichkeit↑
Bioverfügbarkeit^K↓

[12, 40]

Methazolamide

HP-β-CD

Löslichkeit↑
Bioverfügbarkeit^M0

[73]

Pilocarpin

α-CD

Bioverfügbarkeit^K↑
Corneale Penetration^R↑

[101]
[208]

HP-β-CD

Bioverfügbarkeit^K↑

[61]

HP-β-CD

Bioverfügbarkeit^K0
Corneale Penetration 0

[208]

SBE4-β-CD

Stabilität↑
Bioverfügbarkeit^K 0

[92]

Pilocarpin-Prodrug

HP-β-CD

Augenreizung^K↓

[94]

SBE4-β-CD

Augenreizung^K↓

[90]

SBE7-β-CD

Augenreizung^K↓

[217]

Prostaglandine

HP-β-CD

Löslichkeit↑
Bioverfügbarkeit^K↑

[242]

Thalidomid

HP-β-CD

Löslichkeit↑
Corneale Penetration^R↑
Bioverfügbarkeit^K↑

[209]

1,3,4-Thiadiazol-2-sulfonamid

HP-β-CD

Löslichkeit↑
Bioverfügbarkeit^K↑

[134]

Tropicamid

HP-β-CD

Löslichkeit↑
Bioverfügbarkeit^K↑

[30]

In der Ophthalmologie werden CDe dazu verwendet, schwerlösliche Antibiotika (z.B. Amphotericin B [170] und Chloramphenicol [1]), Carboanhydrasehemmer (z.B. Acetazolamid und Ethoxyzolamid [119, 120, 128]) oder Nichtsteroidale Antiphlogistika (z.B. Diclofenac-Na) [176, 221], in Lösung zu bringen.

Studien unserer Arbeitsgruppe [209] zeigten eine gegenüber einer Suspension verbesserte Bioverfügbarkeit des immunsuppressiven, lipophilen Arzneistoffs Thalidomid im Kaninchenauge bei Verwendung einer wässrigen 0,04% Thalidomid/ 12,5% HP-β-CD-Augentropfenlösung. Darüber hinaus wurde die HP-β-CD-Formulierung vom Kaninchenauge gut toleriert. CDe in Ophthalmika sind auch in der Lage, Irritationen am Auge zu vermindern [90, 94, 217]. Über die Bioverfügbarkeit und Verträglichkeit einer wässrigen Dexamethason (0,1%)/ HP-β-CD (10%)-Augentropfenformulierung liegen schon Untersuchungen am Menschenauge vor [191].

Auch hydrophile Arzneistoffe wurden im Zusammenhang mit CDen in ophthalmologischen Zubereitungen getestet. Die Stabilität von Pilocarpinhydrochlorid (P), das normalerweise aus Stabilitätsgründen in wässrigen Handelspräparaten auf pH 4-5 eingestellt wird, konnte durch Komplexierung mit SBE4-β-CD verdoppelt werden [92].

Über den Einfluss der Komplexierung von P mit CDen auf die okulare Verfügbarkeit in vivo existieren unterschiedliche Angaben in der Literatur. Freedman et al. [61] berichteten über eine erhöhte Bioverfügbarkeit (Mensch) von P (Konzentration 1 µg/µl) aus einer 5%igen HP-β-CD Lösung im Vergleich zu einer CD-freien P-Lösung. Als Ursache diskutieren sie eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen ionisierter und nicht-ionisierter Form zugunsten der Letzteren, d.h. der pK_a-Wert sinkt durch CD-Komplexierung. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen beeinflusste SBE4-β-CD in niedrigen Konzentrationen die Bioverfügbarkeit (Kaninchen) von P nicht, in höheren Konzentrationen wird diese sogar vermindert [92]. Ähnliche Ergebnisse erzielte dieses Forscherteam mit HP-β-CD [92].

Studien unserer Arbeitsgruppe ergaben, dass die In-vitro-Permeation von P durch isolierte Rindercornea in Gegenwart von HP-β-CD gegenüber der CDfreien Referenz reduziert war, was mit einer verzögerten Freisetzung des Wirkstoffs aus dem CD-Assoziat erklärt wird [208]. Weiterhin wurde für α-CD in vitro eine gesteigerte okulare Verfügbarkeit von P gefunden und auf die bekannten membranschädigenden Effekte [96, 227] von α-CD zurückgeführt.

Seit 2001 ist das erste Handelspräparat mit CD in Form von Augentropfen auf dem Markt. Das Präparat heißt „Voltaren Ophtha^®CD“ und wird von Novartis Ophthalmics (Ciba Vision, Hettlingen, Schweiz) hergestellt. Es enthält 0,1% Diclofenac-Natrium als Wirkstoff und ist mit 0,005% Benzalkoniumchlorid (BAC) konserviert. Als Hilfsstoffe sind Propylenglykol und HP-γ-CD aufgeführt. Über die eingesetzte Konzentration an HP-γ-CD gibt es keine Angaben [233]. Am gesunden Kaninchenauge konnte gezeigt werden, dass ¹⁴C-markiertes Diclofenac die Maximalkonzentration in der Cornea und in der Conjunctiva 30 min nach der Applikation erreicht. Der größte Teil des Wirkstoffs wurde in diesen beiden Geweben sowie in der Chorioidea gefunden. Die Elimination erfolgte rasch und war nach 6 h beinahe vollständig [233].

Eine klinische Studie von Mester et al. [140] berichtet von signifikant weniger okularen Irritationen bei einer Behandlung mit der Formulierung Voltaren Ophtha^®CD im Vergleich zu Voltaren Ophtha^® (0,1% Diclofenac-Natrium, konserviert mit 0,004% Thiomersal, enthält kein CD).

In vorhergehenden Untersuchungen von Szente et al. [221] wird berichtet, dass HP-γ-CD die Inkompatibilität zwischen Diclofenac und BAC unterdrückt und zu einer verbesserten Langzeitstabilität in wässriger Lösung bei einem neutralen pH führt.
Toxikologie der Cyclodextrine
Alle entsprechenden Toxizitätsstudien haben gezeigt, dass peroral verabreichte CDe vom Gastrointestinaltrakt nicht aufgenommen werden [86]. Weitere Untersuchungen ergaben, dass γ-CD, HP-β-CD, SBE-β-CD und Maltosyl-β-CD − selbst nach parenteraler Applikation − als nicht toxisch eingeschätzt werden können. Allerdings ergaben Toxizitätsstudien, dass α-CD, β-CD und methylierte β-CDe für die parenterale Anwendung ungeeignet sind.

Nach topischer Anwendung einer CD-haltigen Augentropfenlösung gelangen CDe schnell von der Augenoberfläche über die Nase in den Gastrointestinaltrakt. Werden zwei Tropfen (à ca. 50 µl) einer isotonen 10%igen CD-Lösung dreimal täglich in beide Augen appliziert, beträgt die Gesamtmenge an CD ungefähr 30 mg. Aufgrund dieser geringen Menge kann eine systemische Toxizität nach ophthalmogischer Anwendung so gut wie ausgeschlossen werden [122].

Eine okulare Irritation oder sogar irreversible Schädigung am Auge kann hingegen (je nach verwendetem CD) nicht ausgeschlossen werden. Es ist möglich, dass eine geringe Menge an nicht- oder niedrigsubstituiertem CD in die Cornea, Sclera oder andere Gewebe des Auges penetriert. Beschrieben werden nachweisbare Penetrationsraten für das teilweise lipophile CD-Derivat Dimethyl-β-cyclodextrin (DM-β-CD) sowie für das kleine, native Molekül α-CD [207]. Jedoch sind CDe partiell in der Lage, lipophile Komponenten, wie z.B. Cholesterol und Phospholipide, durch Komplexbildung aus den okularen Membranen zu „extrahieren“. Die Fähigkeit der CDe, mit biologischen Membranen zu interagieren, ist jedoch deutlich reduziert, wenn deren Kavität bereits mit einem lipophilen Molekül besetzt ist.

Das am häufigsten angewendete CD in wässrigen Augentropfen ist HP-β-CD [127]. Zahlreiche Studien bei Versuchstieren und am Menschen konnten die sehr gute Verträglichkeit dieses β-CD-Derivats bestätigen [127]. Die dreimal tägliche Applikation eines Tropfens einer 18%igen HP-β-CD Lösung am Menschen während 28 Tagen wurde gut toleriert [129]. In-vivo-Studien am Kaninchen zeigten, dass auch SBE-β-CD in wässrigen Augentropfen gut verträglich ist [90, 94]. Andere CDe und CD-Derivate, die zur topischen Anwendung in der Ophthalmologie als geeignet angesehen werden, sind Maltosyl-β-CD, γ-CD, HP-γ-CD und in niedrigen Konzentrationen α-CD sowie „Randomized methylated β-Cyclodextrin“ (RM-β-CD) [122]. Allerdings liegen hierzu in der Literatur bisher nur wenige Daten vor.

Duncker et al. [49] führten eine In-vitro-Studie durch, die sich mit dem Hilfsstoff HP-β-CD und dessen Auswirkung auf das corneale Endothel beschäftigt. Diese Untersuchung steht in gewisser Weise im Widerspruch zu den zuvor genannten Daten. An 190 Schweinecorneae wurden Veränderungen im cornealen Endothel nach Einwirkung dieses CD-Derivats untersucht. Veränderungen in der Zelldichte und in der Zellmorphologie wurden mittels Lichtmikroskop und Rasterelekronenmikroskopie beobachtet. Die Zelldichte blieb bei einer Konzentration von 0,1-1% HP-β-CD konstant. Bei 10% HP-β-CD zeigten sich jedoch schwerwiegende Schädigungen des Endothels.
Mikroemulsionen
Mikroemulsionen (MEen) werden in der vorliegenden Arbeit als Carriersysteme für den neuen Wirkstoff ZK 247756 genutzt. Es sind allgemein Systeme, die aus Wasser, einem Lipid, einem Tensid sowie i.d.R. einem Cotensid bestehen. Sie liegen als thermodynamisch stabile, einphasige, transparente oder schwach opaleszierende, sich spontan bildende, flüssige Systeme vor [213, 232]. MEen gehören wie Nanokapseln, Solubilisate und Liposomen zu den hochdispersen Systemen [28].

Für die ophthalmologische Anwendung am Auge sind Kennzahlen, wie Brechungsindex, Viskosität, pH-Wert, physiologische Verträglichkeit (charakterisiert durch den HET-CAM-Test bzw. den Draize-Test [78]) sowie Sterilisierbarkeit, entscheidend.

Zielstellungen bei topischer Anwendung am Auge sind verbesserte Bioverfügbarkeit, verminderte Applikationsfrequenz durch einen möglichen Retardeffekt sowie folglich eine Verminderung der Arzneistoffnebenwirkungen.

In unserer Arbeitsgruppe gab es zahlreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet [78, 102, 104, 113, 206]. Siebenbrodt und Keipert [206] entwickelten okulare MEen (Bestandteile: Triacetin, Synperonic^® L 64, Propylengkykol, Wasser) und untersuchten die In-vitro-Liberation von Diclofenac, Indometacin und Chloramphenicol aus letzteren. Die Arzneistoffliberation aus den MEen war im Vergleich mit entsprechenden Pufferlösungen stark verzögert [206]. Weiterhin konnte in einer Studie von Keipert und Schulz [102] eine verminderte In-vitro-Freigabe aus einer Pilocarpin-ME (Bestandteile: Isopropylmyristat, Wasser, Propylenglykol, Saccharoseestertensidgemisch) gegenüber einer wässrigen Standardlösung beobachtet werden.

Die physiologische Verträglichkeit der entwickelten MEen zur okularen Anwendung war vorwiegend positiv zu bewerten [78, 102, 206]. Auch die chemische Stabilität der Arzneistoffe in den MEen sowie die physikalische Stabilität der MEen selbst (Langzeit-Stabilitätstests) zeigte sich für die pharmazeutische Anwendung geeignet [102, 206].
Sonstige Hilfsstoffe
Die im Folgenden aufgeführten Hilfsstoffe dienten der Konservierung der Augentropfen (BAC, Theoretische Grundlagen, III.4.1.5.1) oder waren Bestandteile der verwendeten Mikroemulsion (Ergebnisse und Diskussion, V.3.2.1, Tabelle 30).
Benzalkoniumchlorid
Benzalkoniumchlorid (C17-27H30-50ClN; Mr = 354,0, berechnet als C22H40ClN), ein Gemisch von Alkylbenzyldimethylammoniumchloriden, deren Alkylteil aus C8-C18-Ketten besteht, ist in der Eur. Ph. NT 2001 und in der USPXXVI aufgeführt.

Benzalkoniumchlorid (BAC), eine quartäre Ammoniumverbindung (Quat) oder auch Invertseife liegt als weißes oder gelblichweißes, sehr bitter schmeckendes, amorphes, hygroskopisches Pulver oder als gelartige Masse [44] vor. Quats sind, wie echte Seifen, grenzflächenaktive Substanzen.

BAC wird in erster Linie als Desinfektionmittel für Flächen und Instrumente eingesetzt sowie als Hände- und Hautantiseptikum. Außerdem gehört es international zu den am häufigsten eingesetzten Konservierungsmitteln in Ophthalmika. In Augentropfen wird es zumeist 0,01%ig eingesetzt [28]; gebräuchliche Konzentrationen allgemein sind 0,002-0,02% [232]. Das Wirkungsspektrum umfasst die grampositiven und die weniger empfindlichen gramnegativen Keime. Gegen Pilze und Viren ist BAC wenig wirksam. Bazillensporen sind resistent.

Der Wirkungsmechanismus beruht auf Anlagerung und Adsorption der Verbindung an der Oberfläche der Mikroorganismen, was zur Zerstörung des Aufbaus der Zytoplasmamembran führt. Entscheidend für die Wirkung sind der quartäre Stickstoff und eine oder mehrere lipophile Seitenketten, die mindestens acht Kohlenstoffatome enthalten müssen. Die hydrophoben Seitenketten sind für die Wechselwirkung mit den Bakterienoberflächen verantwortlich. Sie können in Membranen penetrieren und diese desintegrieren [69], so dass es zum Austritt von zytosolischem Material kommen kann. Die kationischen Köpfe können durch Ladungsneutralisation die Denaturierung von Proteinen bewirken.
Rizinusöl
Rizinusöl ist das aus den Samen von Ricinus communis L. durch Pressen ohne Wärmezufuhr erhaltene Öl und in der Eur. Ph. aufgeführt.

Rizinusöl (Christuspalmöl, Castoröl) wird aus den geschälten Samen von Ricinus communis L. durch Pressen ohne Wärmezufuhr (Kaltpressung: max. 40°C) gewonnen [232] und dann mit Wasser ausgekocht [28]. Das Öl ist klar, blassgelb, dickflüssig, fast geruchs- und geschmacksneutral (milder, später kratzender Geschmack [54]).

Rizinusöl enthält in den Triacylglycerolen 85 bis 90% Rizinolsäure ((12R)-12-Hydroxy-octa-dec-9Z-ensäure, (12R)-12-Hydroxy-ölsäure), besonders in Form des Tririzinoloylglycerols. Es ist gut haltbar und im Gegensatz zu anderen Ölen sehr viskös, mit absolutem Ethanol und Essigsäure mischbar, zu 30% löslich in 90%igem Ethanol und fast unlöslich in Benzin. Rizinusöl wird wegen seiner Löslichkeit in Ethanol auch als Zusatz zu Dermatika und Kosmetika eingesetzt. Außerdem dient Rizinusöl als Arzneiträger, z.B. für Augenarznei-lösungen und Injectabilia [223].

Ölige Lösungen, die okular angewendet werden (Rizinusöl, Erdnussöl) besitzen eine lange Kontaktzeit an der Cornea und werden nicht ausgewaschen. Allerdings haben sie den Nachteil einer Sichttrübung. Die Arzneimittelresorption erfolgt langsamer, so dass eine Erzielung von Depoteffekten möglich ist. Für ölige Zubereitungen sind Isotonie und Isohydrie bedeutungslos [232]. Ölige Zubereitungen bilden keinen Nährboden für Mikroorganismen und sind als keimarm anzusehen. International ist jedoch eine Heißluftsterilisation gebräuchlich; eine Konservierung ist nicht erforderlich [232].
Polysorbat 80 (Tween^® 80)
Polysorbat 80 (Polysorbatum 80) ist als Monographie in der Eur. Ph. aufgeführt.

Polysorbat 80 ist ein Polyoxyethylen-Sorbitanfettsäureester (Polyoxyethylen-(20)-Sorbitan-monooleat). Laut Eur. Ph. handelt es sich bei dem nichtionogenen O/W-Emulgator um ein Gemisch von Partialestern des Sorbitols und seiner Anhydride mit Ölsäure, das mit etwa 20 Mol Ethylenoxid pro Mol Sorbitol bzw. Sorbitan copolymerisiert wurde. Tween^® 80 ist löslich in Wasser und Ethanol, unlöslich in Pflanzen- und Mineralölen, die HLB beträgt 15,0 und die Viskosität (25°) 375-480 mPas [14].

Tween^® 80 wird in der Pharmazie als nicht-ionischer O/W-Emulgator in Salben und Cremes, als Lösungsvermittler (z.B. für Aromen, ätherische Öle, Vitaminöle, wasserunlösliche Arzneistoffe) sowie als Netzmittel (z.B. in Suspensionen) verwendet [27]. Polysorbat bewirkt die Lyse der humanen Erythrozyten in Konzentrationen von > 0,012% [57].
Cremophor^® RH 40
Handelsbezeichnungen für verschiedene Typen von Glycerin-Polyethylenglykoloxystearat. Hauptbestandteile der Cremophor^®-Marken sind Fettsäureglycerinpolyglykolester und Fettsäurenpolyglykolester, welche den hydrophoben Anteil des Produktes darstellen. Der hydrophile Teil besteht aus Polyethylenglykolen und Glycerolethoxylat. Die Produkte sind universell anwendbare Lösungsvermittler für ätherische Öle, Riechstoffe, fettlösliche Vitamine und andere hydrophobe Stoffe. Die Cremophor^®-Produkte lösen sich klar in Wasser, Ethyl-, iso-Propyl-, n-Propylalkohol, Essigester, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Trichlorethylen, Benzol, Toluol und Xylol. Cremophor^® RH 40 ist eine weiße Paste mit 100% Aktivsubstanz, deren HLB 14-16 ist [57].

Bei den Schleimhautverträglichkeitsprüfungen am Kaninchenauge wurden 30%ige wässrige Lösungen von Cremophor^® RH 40 ohne Reizwirkung vertragen [57].
Macrogol 300/400
Macrogol 300/400 ist als Monographie in der Eur. Ph. aufgeführt.

Macrogol 300/400 (früher: Polyethylenglykol 300/400)ist ein Gemisch von Polymeren mit der allgemeinen Formel H-(OCH₂-CH₂)_n-OH und der mittleren Molekülmasse von etwa 300/400. Es ist eine klare, viskose, hygroskopische, farblose Flüssigkeit; mischbar mit Wasser, sehr leicht löslich in Aceton, Dichlormethan und Ethanol, praktisch unlöslich in Ether, fetten Ölen und Mineralölen. Macrogole werden u.a. als Träger für schwerlösliche Wirkstoffe bzw. als Resorptionsvermittler angewendet [13].