Mirjam Gnadt

University of Wuerzburg, Würzburg, Bavaria, Germany

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    ABSTRACT: The aim of the present investigation was to compare the onset of action and intrinsic activity of the long-acting β(2)-agonist GW597901 with the fast- and short-acting salbutamol as model compounds using an isolated human lung reperfusion model. Twelve resected human lung lobes were challenged with methacholine (MCh) and subsequently nebulised with either GW597901 or salbutamol. Prostaglandin E(2) (PGE(2)) concentrations in the perfusion fluid were compared with the dose of MCh that was required to induce a bronchoconstriction. After successful MCh provocation, nebulisation of GW597901 and salbutamol fully reversed any observed bronchoconstriction. The bronchodilating effect was more pronounced for GW597901. Salbutamol revealed an immediate onset of action while the effect of GW597901 was observed with an approximate delay of 6 min. Higher doses of MCh were required for a successful bronchial challenge in the presence of elevated PGE(2) levels (r=0.8171, p ≤ 0.05). For the first time, an isolated perfused human lung model has been established for comparing the onset of action and potency of a short- and long-acting β(2)-agonist. We therefore conclude that it is an alternative for determination of drug effect characteristics and suitable for supplementing or predicting clinical data.
    European journal of pharmaceutics and biopharmaceutics: official journal of Arbeitsgemeinschaft fur Pharmazeutische Verfahrenstechnik e.V 04/2012; 81(3):617-26. · 3.15 Impact Factor
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    ABSTRACT: Ex vivo perfused and ventilated lung lobes frequently develop pulmonary edema. We were looking for a suitable and early detectable biomarker in the perfusion fluid indicating lung cell damage and loss of tissue integrity in ventilated human lung lobes. Therefore, we elucidated whether surfactant protein A (SP-A) and angiotensin-converting enzyme (ACE) were measurable in the perfusion fluid and whether they were suitable indicators for edema formation occurring within the experimental time frame of 1-2 h. Patients (n = 39) undergoing a lobectomy, bilobectomy or pneumonectomy due to primary bronchial cell carcinoma were included in the studies. Lung lobes were extracorporally ventilated and perfused for up to 2 h. Two different perfusion fluids were used, plain perfusion buffer and perfusion buffer containing packed erythrocytes or buffy coats. Perfusion fluid samples were analyzed for SP-A and ACE using immunoassays served as perfusion fluids. SP-A and ACE concentrations were analyzed in fluid sample sets of 39 and 33 perfusion experiments, respectively. Degrees of edema formation were arbitrarily classified into three groups (≤ 29, 30-59, ≥ 60 % weight gain). The maximum increase of SP-A and ACE concentrations in the perfusate was significantly higher for more pronounced edemas in case of perfusions using a mixture of blood components and buffer. Interestingly, the time courses of ACE and SP-A were highly similar. We suggest that SP-A and ACE are promising early biochemical markers for the development for pulmonary edema formation in the ex vivo lung lobe perfusion.
    Beiträge zur Klinik der Tuberkulose 04/2012; 190(4):431-40. · 2.06 Impact Factor
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    ABSTRACT: The aim of the present investigation was to compare the pulmonary absorption of the novel long-acting β(2)-agonist GW597901 with salbutamol and to determine the influence of an induced bronchoconstriction on the pharmacokinetics of the compounds using a human lung reperfusion model. In an initial study with six lung perfusions the pharmacokinetic properties of the β(2)-agonists were determined. We then investigated the influence of an induced bronchoconstriction on the pulmonary absorption in six lung lobes for each drug. Therefore, methacholine (MCh) challenge agent was nebulised prior to administration of the β(2)-agonists. As expected, the extent of pulmonary absorption of salbutamol into the perfusate was more pronounced than for the more lipophilic GW597901. Although the observed differences were not statistically significant they were further supported by analysis of tissue concentrations. In contrast, we observed a statistically significant influence of the bronchoprovocation with MCh on the pulmonary absorption of both β(2)-agonists, but this effect was not limited to a successfully induced bronchoconstriction. A prominent decline of salbutamol distribution into perfusion fluid was also observed when the organic cation transporter substrate carnitine was nebulised prior to the bronchodilator. Nebulised methacholine had a significant influence on the pharmacokinetics of bronchodilators. Since we observed this effect independently of a successfully induced bronchoconstriction and also after nebulisation of carnitine we suggest a significant delay of pulmonary absorption of inhaled salbutamol and GW597901 due to competition for a cation/carnitine drug transporter, most likely OCTN2.
    Pulmonary Pharmacology &amp Therapeutics 02/2012; 25(1):124-34. · 2.54 Impact Factor
  • Mirjam Gnadt
    Pharmazie in unserer Zeit 09/2011; 40(5):385-9.
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    Mirjam Gnadt
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    ABSTRACT: Die Pharmakokinetik inhalativ verabreichter Betasympathomimetika bestimmt maßgeblich das Ausmaß und die Dauer der erwünschten Atemwegserweiterung sowie der unerwünschten Nebenwirkungen. Das Zusammenspiel der pharmakokinetischen Vorgnge ist jedoch komplex, da zustzlich zu der pulmonal resorbierten Dosisfraktion auch ein gewisser Prozentsatz durch gastrointestinale Absorption in den systemischen Kreislauf umverteilt wird. Eine lange Verweildauer im Lungengewebe durch Erhöhung der lipophilen Eigenschaften und eine geringe Tendenz zur Umverteilung aus dem Gastrointestinaltrakt in den systemischen Kreislauf durch einen hohen Firstpass-Effekt sind daher notwendig, um eine pulmonale Selektivitt der Therapie zu erzielen. Die Pharmakodynamik kurz- und langwirksamer β2-Agonisten, charakterisiert durch den Wirkeintritt und -dauer und das Ausmaß der Bronchodilatation, ist nach gegenwrtiger Forschung nicht nur von den Substanzeigenschaften abhngig, sondern unterliegt auch verschiedenen Toleranzmechanismen und dem individuellen Genotyp des β2-Rezeptors, die die Effektivitt der Asthmatherapie einschrnken können.
    Pharmazie in unserer Zeit 08/2011; 40(5):385 - 389.
  • Mirjam Gnadt
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    ABSTRACT: The inhaled pharmacotherapy is fundamental in the management of obstructive lung diseases such as asthma bronchiale or chronic obstructive pulmonary disease. In this context short- and long-acting β2-agonists play a prominent role as relieve and control medication. Regarding the risk-benefit profile of an inhaled drug, the pattern of pulmonary deposition and the rate and extent of absorption into systemic circulation are essential parameters. New developments of drugs are characterized by high lung retention and improved efficacy. The aim of the present thesis was the parallel evaluation the pharmacokinetic (PK) and -dynamic (PD) properties of inhaled β2-agonists employing an isolated human lung perfusion model (IPL). The short-acting β2-agonist salbutamol and the newly developed ultra long-acting β2-agonist GW597901 were chosen for the analysis of pulmonary drug absorption and bronchodilation. In a pharmacokinetic enabling study an established human IPL setting was modified to monitor the pharmacokinetics of the β2-agonists by measuring the concentrations in perfusion fluid, lung tissue and BAL samples obtained during and after the experiments. The IPL model revealed differences in the pulmonary absorption behaviour of GW597901 and salbutamol. The lipophilic compound GW597901 was distributed to a lower extent into the perfusion fluid compared to the more hydrophilic compound salbutamol. The analyzed time profiles of nebulized salbutamol in the perfusate were consistent to with a clinical study if considering experimental conditions as the actual deposited doses and the differing volume of distribution. Thus, the suitability of the IPL model for the PK analysis of inhaled β2-agonists was confirmed. In a PK/PD study the human ex vivo model was employed for the first time for the evaluation of the clinical relevant bronchodilating effect induced by inhaled β2-agonists in addition to the analysis of their pharmacokinetics. Thereby the focus was to determine the onset and extent of bronchodilation. A new method was established to monitor changes in lung function parameters due to pharmacodynamic interventions over the duration of the experiment that allowed permanent online recording of the ventilation volume and lung mechanic parameters. Bronchial challenges with aerolised MCh were performed successfully in isolated ventilated human lung lobes, even though the responder rate was lower than expected despite high administered doses. The administration of the short acting agent salbutamol led to an immediate onset of action recognized as a sudden increase of the ventilation volumes. The bronchodilation following the application of GW597901 was observed delayed after about 6 min. Monitored lung function parameters considerably improved by both β2 - agonists in the IPL setting but not significantly different. Thus, in regard of the different applied doses GW597901 had a higher intrinsic activity and bronchodilating potency than salbutamol. The concentrations of salbutamol and GW597901 in the perfusate determined in the PK/PD study were significantly lower than those observed in the pharmacokinetic enabling study, while the tmax values and the course of the distribution profiles remained similar. Most likely, the application of nebulized MCh prior to the administration of the β2 - agonists had a substantial influence on their pharmacokinetic behaviour. It is yet not clear whether pharmacodynamic effects or molecular competition processes for the passage to the systemic circulation or both influenced the redistribution of the β2 - agonists as seen in the PK/PD study. The potential clinical relevance of this observation has to be further investigated. The development of pulmonary edema during the experiment was one limitation of the IPL model. For the determination of the onset of edema formation four potential biochemical markers, specifically surfactant-protein A (SP-A), angiotensin-converting enzyme (ACE), urea and lactate dehydrogenase, were measured in perfusion fluids. In this context, an ELISA method for the quantification of human SP-A in biological matrices was successfully established. The investigations showed that the concentrations of SP-A and ACE in the perfusate increased over time as a sign for lung tissue damage and correlated with the degree of edema formation. For the first time the IPL model was used for the evaluation of potential pulmonary edema marker and the results have shown that it is valuable tool for further investigations in this field. In conclusion, the pharmacokinetic and pharmacodynamic characterization of GW597901 and salbutamol was successfully achieved using the IPL model. This ex vivo methodology may contribute to further insights and understanding of the complex pharmacokinetic processes of inhaled β2 – agonists in the lung. Die Inhalationstherapie stellt den grundlegenden Baustein in der Behandlung obstruktiver Lungenerkrankungen wie Asthma bronchiale oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankung dar. Eine essentielle Rolle spielen dabei kurz- und langwirksame β2 – Agonisten, die sowohl als Bedarfs- und Kontrollmedikation eingesetzt werden. Bei Betrachtung des Nutzen-Risiko-Verhältnisses eines inhalativen Arzneistoffes sind das pulmonale Depositionsmuster und die Geschwindigkeit und das Ausmaß, mit welcher der Arzneistoff in die systemische Zirkulation gelangt, von zentraler Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung pharmakokinetischer (PK) und -dynamischer (PD) Eigenschaften inhalativer β2 – Agonisten anhand des isolierten humanen Lungenperfusionsmodells (IPL). Der kurzwirksame β2 – Agonist Salbutamol und der neue langwirksame Vertreter GW597901 dienten dabei als Modellsubstanzen für die Analyse der pulmonalen Absorption und den Effekt der Bronchodilatation. In einer ersten Versuchsreihe wurde das etablierte IPL Modell derart modifiziert, um mittels gemessener Konzentrationen in der Perfusions- und Lavageflüssigkeit sowie in Lungengewebsproben die Pharmakokinetik von β2 – Agonisten zu bestimmen. Das IPL Modell zeigte Unterschiede im pulmonalen Absorptionsverhalten von GW597901 und Salbutamol. Der lipophile Vertreter GW597901 wurde in geringerem Ausmaß in die Perfusionsflüssikeit umverteilt als das hydrophile Salbutamol. Das analysierte Absorptionsprofil von Salbutamol korrelierte dabei sehr gut mit Daten einer Humanstudie, wenn man die experimentellen Bedingungen wie die tatsächlich deponierte Dosis und das abweichende Verteilungsvolumen berücksichtigte. Dadurch war die Eignung des IPL Modells zur PK Analyse inhalativer β2 – Agonisten bestätigt. Zusätzlich zur Betrachtung der PK wurde das humane IPL Modell nun zum ersten Mal zur Untersuchung des klinisch relevanten Effekts der Bronchdilatation der β2 – Agonisten herangezogen. Dabei sollten vor allem der Beginn und das Ausmaß der induzierten Bronchodilatation bestimmt werden. Es konnte erfolgreich eine neue Methode etabliert werden, die es erlaubte durch permanente online Aufzeichnung von Ventilationsparameter Änderungen in der Lungenfunktion darzustellen, die durch pharmakodynamische Interventionen ausgelöst wurden. Erstmals wurde erfolgreich eine bronchiale Provokation an einem ex vivo ventilierten humanen Lungenlappen durchgeführt. Jedoch war trotz hoher verabreichter MCh Dosen die Responderrate niedriger als erwartet. Die Applikation des kurzwirksamen Vertreters Salbutamol führte zu einem sofortigen Effekt. Der Wirkeintritt der Bronchodilatation verursacht durch GW597901 war hingegen um ungefähr 6 Minuten verzögert. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen verabreichten Dosen zeigen diese Ergebnisse eine höhere intrinsische Aktivität und atemwegserweiternde Wirksamkeit von GW597901 im Vergleich zu Salbutamol. Die analysierten Konzentrationen von GW597901 und Salbutamol im Perfusat waren in der PK/PD Studie signifikant niedriger als diejenigen, die in der vorherigen PK Versuchsreihe gemessen wurden, während die jeweiligen Tmax Werte und Umverteilungsprofile unverändert blieben. Die wahrscheinlichste Erklärung hierfür ist, dass die Applikation von MCh vor der Vernebelung der β2 – Agonisten einen erheblichen Einfluß auf deren pharmakokinetischen Verhalten hatte. Gegenwärtig kann nicht mit Sicherheit eine Aussage darüber getroffen werden, ob pharmakodynamische Effekte, Konkurrenzmechanismen um die Aufnahme in den systemischen Kreislauf auf molekularer Ebene oder beides zu einem veränderten Umverteilungsverhalten der β2 – Agonisten in der PK/PD Studie geführt haben. Die Entwicklung von Lungenödemen im Verlauf der Experimente war eine Einschränkung des IPL Modells. Um den Beginn einer Ödembildung besser bestimmen zu können, wurden vier potenzielle biochemische Marker in Perfusatproben untersucht, das Surfactant Protein-A (SP-A), das Angiotensin-konvertierende Enzym (ACE), Harnstoff und das Enzym Lactatdehydrogenase (LDH). Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Konzentrationen von SP-A und ACE im Perfusat über die Zeit als Anzeichen für eine Lungengewebsschädigung in Korrelation zum Ausmaß der Ödembildung anstiegen. Zum ersten Mal wurde das IPL Modell für die Bestimmung von biologischen Markern für pulmonale Ödementstehung herangezogen und die Ergebnisse haben gezeigt, dass dieses ex vivo Modell einen vielversprechenden Ansatz für weitere Untersuchungen in diesem Bereich bietet. Damit konnten erfolgreich Methoden entwickelt werden, um mit Hilfe des humanen IPL Modells die pharmakokinetischen und -dynamischen Eigenschaften von GW597901 und Salbutamol zu charakterisieren. Die angewandte ex vivo Methodik kann hierbei einen wertvollen Beitrag und weiterführende Erkenntnisse zum besseren Verständnis der komplexen pharmakokinetischen Vorgänge inhalativer β2 – Agonisten leisten.