Open Access

Phillip Krüger

• Der Extrakt des indischen Weihrauchs (Boswellia serrata) ist eines der wenigen pflanzlichen Heilmittel, dem von der EMEA der Orphan Drug Status zur Behandlung des peritumoralen Hirnödems verliehen wurde. Boswellia serrata Extrakt und die Boswelliasäuren, die wirksamen Inhaltsstoffe des Weihrauchs, zeigten in zahlreichen in vitro-Untersuchungen antiinflammatorische und antitumorale Wirksamkeit. Diese Wirkungen konnten auch in mehreren klinischen Studien nachgewiesen werden. Untersuchungen zum pharmakokinetischen Verhalten der Boswelliasäuren zeigten, dass Weihrauch nur eine geringe orale Bioverfügbarkeit aufweist. Ziel der Arbeit war es daher, den Einfluss von Löslichkeit, Metabolismus und Permeabilität auf die Bioverfügbarkeit der Boswelliasäuren zu untersuchen. Weihrauchextrakte sind in wässrigen Medien schlecht löslich. In einer Rattenstudie wurde deshalb untersucht, inwieweit die verbesserte Löslichkeit des Extrakts in einer nanoskaligen Boswellia serrata Formulierung zu einer verbesserten Bioverfügbarkeit führt. Eine bestehende LC-MS-Methode zur Bestimmung von KBA und AKBA aus Plasma und Hirngewebe wurde optimiert und revalidiert. Zur Vervollständigung des pharmakokinetischen Profils wurden die KBA- und AKBA-Konzentrationen auch in der Leber der Ratten bestimmt. Die analytische Methode wurde hierfür nach den anerkannten FDA-Richtlinien erfolgreich validiert. Die Plasma- und Leberkonzentrationen waren jedoch bei den Ratten, die die nanoskalige Boswellia serrata Formulierung bekamen, in den ersten Stunden nach der oralen Verabreichung nicht signifikant höher als bei den Ratten, die den unbehandelten Extrakt erhielten. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zur metabolischen Stabilität von KBA und AKBA in Rattenlebermikrosomen (RLM), Humanlebermikrosomen (HLM) und Rattenhepatozyten (RH) zeigten, dass KBA einer stark ausgeprägten hepatischen Metabolisierung unterliegt. AKBA hingegen erscheint metabolisch relativ stabil. Die Identifizierung der Metabolite ergab, dass Boswelliasäuren in RLM hauptsächlich Phase-I-Metabolite wie mono-, di-, und seltener auch trihydroxylierte Metabolite bilden. Von AaBA und AbBA konnten keine Metabolite detektiert werden. Das metabolische Profil von KBA und AKBA in RH war mit dem in RLM vergleichbar. In einer Rattenstudie konnten dann im Plasma und in der Leber jedoch nicht im Hirn der Ratten KBA-Metabolite nachgewiesen werden, während für AKBA in vivo keine Metabolite detektiert wurden. Phase-II-Metabolite konnten weder von KBA noch von AKBA nachgewiesen werden. Bisher war man davon ausgegangen, dass die niedrigen Plasmakonzentrationen von AKBA in vivo durch eine Deacetylierung zu KBA zustande kommen. Diese These konnte im Rahmen dieser Arbeit widerlegt werden. Im Caco-2-Zellmodell zeigte KBA eine mittlere Permeabilität. Es konnte gezeigt werden, dass KBA und AKBA offensichtlich keinem Efflux-Transport unterliegen. AKBA erwies sich sowohl in absorptiver und sekretorischer Richtung als auch bei 4° C als schlecht permeabel. Da KBA und AKBA die Aktivität des ABC-Transportproteins Pgp modulieren, wurde in dieser Arbeit überprüft, ob diese beiden Boswelliasäuren auch Substrate des Pgp sind. Die Permeation von KBA und AKBA war in Anwesenheit des Pgp-Inhibitors Verapamil jedoch nicht signifikant verändert, was darauf hindeutet, dass KBA und AKBA keine Pgp-Substrate sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden einen wichtigen Baustein zur weiteren Aufklärung des pharmakokinetischen Verhaltens von KBA und AKBA. So ist die begrenzte systemische Verfügbarkeit von KBA auf eine mittlere Absorption aus dem Gastrointestinaltrakt in Kombination mit der umfangreichen hepatischen Metabolisierung zurückzuführen. Die niedrigen systemischen Konzentrationen von AKBA hingegen liegen eher in der schlechten Absorption begründet. Auf der Basis der extensiven Metabolisierung von KBA und der schlechten Permeabilität von AKBA stellt sich im Allgemeinen die Frage nach dem tatsächlichen Wirkmechanismus von KBA und AKBA. In keiner pharmakokinetischen Studie konnten die in vitro pharmakologisch aktiven Konzentrationen dieser beiden Boswelliasäuren erzielt werden. Es ist daher nicht auszuschließen, dass auch andere Wirkmechanismen als die bisher beschriebenen existieren. Unter dem Gesichtspunkt möglicher Arzneimittelinteraktionen wurde die Wirkung von KBA und AKBA auf MRP2 und OATP1B3 in zwei zellbasierten Assays untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass KBA und AKBA die Aktivität von MRP2 und OATP1B3 in Konzentrationen modulieren, welche im Rahmen dieser Arbeit in der Leber von Ratten nachgewiesen wurden. Da Weihrauchextrakt häufig in Comedikation verwendet wird, sollte im Hinblick auf die Arzneimittelsicherheit in Zukunft geprüft werden, ob es zu praxisrelevanten Arzneimittelinteraktionen mit klinisch relevanten MRP2- und OATP1B3-Substraten kommt.
• Indian frankincense extract (boswellia serrata) is one of the few herbal remedies designated an orphan drug status by the EMEA for the treatment of peritumoral edema. Boswellia serrata extract and boswellic acids, the main active ingredients of frankincense showed potent antiinflammatory and antitumoral properties in several in vitro experiments. These properties could be verified in clinical studies as well. Pharmacokinetic studies, however, indicated poor oral bioavailability of boswellic acids. We therefore wanted to investigate the impact of solubility, metabolism and permeability on the bioavailability of boswellic acids. Frankincense extracts are poorly soluble in water. Hence, an animal study with rats was conducted in order to evaluate the effect of enhanced solubility in a nanoscale formulation on its bioavailability. For determination of KBA and AKBA in plasma and brain tissue an existing LC-MS method was optimised and revalidated. Prior to determination of KBA and AKBA in rat liver tissue the method was validated according to current ICH guidelines. Plasma and liver concentrations in rats fed with the boswellia serrata nanoscale formulation did not differ significantly from rats fed with the extract up to four hours after oral administration. Furthermore, we investigated the metabolic stability of KBA and AKBA in rat liver microsomes (RLM), human liver microsomes (HLM) and rat hepatocytes (RH). KBA is subject to an extensive hepatic first-pass metabolism whereas AKBA seems to be metabolically stable. For KBA, AKBA, aBA and bBA mostly phase I metabolites as mono-, di- and trihydroxylated derivatives were identified in RLM. No metabolites could be detected for AaBA and AbBA. Metabolic profiles of KBA and AKBA in RH were comparable to those found in RLM. In an animal study KBA metabolites were detected in rat plasma and liver but not in brain. AKBA did not show any in vivo metabolites. Phase II metabolites of KBA and AKBA were detected neither in vitro nor in vivo. The present work further revealed that deacetylation of AKBA to KBA takes place only to a minor extent and thus cannot be responsible for the low systemic availability of AKBA as previously assumed. KBA showed average permeability in the Caco-2 model. Both KBA and AKBA show no significant efflux transport. AKBA is only poorly transported across the cell monolayer in absorptive and secretory direction. KBA and AKBA modulate Pgp activity. Therefore we tested whether the two boswellic acids are substrates of Pgp. Permeation of KBA and AKBA in presence of the Pgp inhibitor verapamil, however, was not significantly altered indicating the boswellic acids are not Pgp substrates. The results of this work are an important step to further understand the phamacokinetic behaviour of KBA and AKBA. Thus, the limited systemic availability of KBA is due to its average absorption and extensive hepatic metabolism whereas the reason for the low systemic concentrations of AKBA is its poor absorption. In consideration of the extensive metabolism of KBA and the poor permeability of AKBA the existing theories about the mechanisms of action may no longer be adequate. Concentrations found to be pharmacologically active in vitro could not be achieved in any in vivo study. Therefore it is possible that there are other mechanisms still unknown. Finally, in order to check for possible interactions with pharmaceuticals modulatory effects of KBA and AKBA on MRP2 and OATP1B3 were tested in two cell based assays. The boswellic acids inhibited both transporters. Inhibition was effective in concentrations also found in rat liver tissue within this work. Since frankincense is often used in comedication clinical interactions should be monitored.