Effects of Adamantyl Derivatives on Pharmacokinetic Behavior of Paclitaxel in Rats

Abstract

항암치료의 주요 장애물인 약물의 다약제 내성 (multidrug resistance, MDR)의 가장 주요한 원인은 P-당단백질의 과발현과 관련된다. P-당단백질은 화학구조에 유사성이 없는 다양한 약물의 배출에 관여하는 막 수송 단백질의 하나로, 암세포뿐만 아니라 소장, 간, 신장, 뇌와 같은 정상 세포에서도 발현된다. 특히 소장상피에 존재하는 P-당단백질은 경구로 투여하는 약물의 흡수를 방해하는 가장 큰 원인 중 하나이다. 따라서 소장의 P-당단백질을 효과적으로 억제한다면, 다양한 약물의 경구 흡수율을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구에서는 아다만틸 유도체들의 P-당단백질 억제제로서의 가능성을 평가하고, 실제 경구 흡수가 어려운 P-당단백질의 기질 약물인 파클리탁셀의 경구 흡수율 증진 여부를 실험하였다. 파클리탁셀은 난소암, 유방암, 폐암과 같은 다양한 항암치료에 사용되는 약물임에도 불구하고 P-당단백질 배출수송계의 작용으로 인하여 경구 투여 시 생체이용률이 낮다. 선행된 연구의 아다만틸 유도체 20종 중 P-당단백질 억제제로서의 가능성이 가장 높은 후보물질 2종 (AC-603 및 AC-786) 을 선정해 in vitro 세포독성을 평가하였다. 양성 대조군으로는 P-당단백질 저해제로 잘 알려져 있는 베라파밀을 사용하였다. 그 결과, AC-603과 AC-786은 사용된 농도 (5 μM)에서 도노마이신의 세포독성을 베라파밀보다 약 2.5배 증가시키며 IC50 값을 유의성 있게 감소시켰다. In vivo 실험에서는 파클리탁셀의 경구 생체이용률을 효과적으로 증가시키기 위하여 P-당단백질 억제제를 동시에 경구로 투여한 뒤 얻은 혈장 샘플을 분석하여 약물동태학적으로 평가하였다. 쥐의 혈장 중에서 파클리탁셀을 정량하기 위한 HPLC 방법을 확립하기 위해 혈장 중에 파클리탁셀과 내부표준물질을 아세토니트릴로 한번에 추출하였다. 파클리탁셀과 내부표준물질의 유지시간은 각각 13.7분 및 23.4분이었으며, 이 분석조건에서 두 물질 모두 다른 혈장 성분들로부터 잘 분리되었다. 파클리탁셀의 검량선은 0.02-10.0 μg/mL의 농도 범위에서 직선성을 나타내었다. 이 분석법은 미국 식약청에서 제시하는 생체시료분석법 검증 가이드라인에 따라 특이성, 직선성, 정확성, 정밀성, 감도 측면에서 모두 기준에 적합하였으며, 이는 동물 실험 후 얻어진 혈장 샘플을 분석하여 파클리탁셀의 약동학적 변수를 도출하는 데 적절히 적용되었다. AC-603 (0.5 mg/kg 및 5 mg/kg)과 AC-786 (0.5 mg/kg 및 5 mg/kg)을 각각 파클리탁셀 25 mg/kg와 함께 경구로 동시 투여한 경우에는 혈장 중 농도-시간 곡선 하 면적 (AUClast)이 대조군 (베라파밀군) 에 비하여 1.7배에서 2.2배까지 증가했다. 겉보기 분포용적 (Vz/F)과 클리어런스 (Clt/F)는 유의적으로 감소하였다. 결론적으로, AC-603 및 AC-786 은 위장관, 간 및 기타배설 기관에 분포하고 있는 P-당단백질의 기능을 억제함으로써 파클리탁셀의 경구 흡수율을 효과적으로 증가시켰고, 이는 배설의 억제보다는 흡수의 증가에 의한 영향인 것으로 사료된다. 이는 이 물질이 강력한 P-당단백질의 저해제가 될 수 있음을 시사한다.;Multidrug resistance (MDR) is largely responsible for the failure of cancer chemotherapy. It primarily results from overexpression of P-glycoprotein (P-gp). P-gp is expressed at high concentrations not only in tumor cells but also in normal tissues including intestine, liver, kidney and blood-brain-barrier. P-gp pumps out a huge number of chemically unrelated therapeutic agents to the outside of cells using the energy of ATP hydrolysis. In particular, P-gp on epithelial cells of the small intestine is a limiting factor in drug absorption. Thus, the inhibition of intestinal P-gp is an effective approach for improving oral bioavailability of drugs that are P-gp substrates. Paclitaxel (PTX) is one of the most frequently used anticancer agent for treating refractory ovarian cancer, metastatic breast cancer and non-small cell lung cancer. However, its oral administration is impeded by very low bioavailability (<5%) due to the P-gp efflux pump effect. This study investigated in vitro and in vivo P-gp inhibitory effects of adamantyl derivatives. AC-603 and AC-786 exhibiting the most potent P-gp inhibitory activity among twenty compounds in the previous study were investigated in vitro cytotoxicity. Verapamil, a well known P-gp inhibitor, was used as the positive control. As a result, AC-603 and AC-786 significantly decreased the IC50 values of DNM at a concentration of 5 μM, showing about 2.5-fold increase of DNM cytotoxicity. To assess the improvement of PTX absorption for clinical application, in vivo studies were performed to evaluate pharmacokinetics of PTX following oral co-administration with P-gp inhibitors to rats. A validated HPLC/UV method was established for the quantification of PTX in rat plasma. The retention times of PTX and internal standard (n-Hexyl 4-hydroxybenzoate, IS) were approximately 13.7 and 23.4 min, respectively. Their peaks were well separated from endogenous interfering peaks in rat plasma. The calibration curve of PTX exhibited excellent linearity over concentrations ranging from 0.02 to 10.0 μg/mL (R2=0.9999). The HPLC/UV method was also successfully validated in terms of precision, accuracy and sensitivity. The pharmacokinetic parameters of PTX were determined in rats after intravenous (2 mg/kg) or oral (25 mg/kg) administration in the presence or absence of VER, AC-603 or AC-786 (0.5 mg/kg or 5 mg/kg). Compared to control group (PTX alone), experimental groups (AC-603 and AC-786) significantly (1.7 - 2.2 fold) increased the area under the plasma concentration-time curve of PTX following oral administration. The volume of distribution and total clearance of PTX were decreased, while other parameters were not significantly changed. In conclusion, co-administration of AC-603 or AC-786 enhanced the relative bioavailability of orally administered PTX. They provided superior P-gp inhibitory effects to the representative P-gp inhibitor, verapamil.