Expression of cytochrome P450 enzymes and metabolism of timolol in human ocular tissue

Abstract

Glaucoma is a group of progressive optic neuropathies causing irreversible blindness if not diagnosed and treated in the early state of progression. Disease is often, but not always, associated with increased intraocular pressure (IOP), which is also the most important risk factor for glaucoma. Ophthlamic timolol preparations have been used for decades to lower increased intraocular pressure (IOP). Timolol is locally well tolerated but may cause e.g. cardiovascular and pulmonary adverse effects due to systemic absorption. It has been reported that approximately 80% of a topically administered eye drop is systemically absorbed. However, only limited information is available on timolol metabolism in the liver or especially in the human eye.

The aim of this work was to investigate metabolism of timolol in human liver and human ocular tissues. The expression of drug metabolizing cytochrome P450 (CYP) enzymes in the human ciliary epithelial cells was studied. The metabolism of timolol and the interaction potential of timolol with other commercially available medicines were investigated in vitro using different liver preparations. The absorption of timolol to the aqueous humor from two commercially available products: 0.1% eye gel and 0.5% eye drops and the presence of timolol metabolites in the aqueous humor were investigated in a clinical trial.

Timolol was confirmed to be metabolized mainly by CYP2D6 as previously suggested. Potent CYP2D6 inhibitors especially fluoxetine, paroxetine and quinidine inhibited the metabolism of timolol. The inhibition may be of clinical significance in patients using ophthalmic timolol products. CYP1A1 and CYP1B1 mRNAs were expressed in the human ciliary epithelial cells. CYP1B1 was also expressed at protein level and the expression was strongly induced by a known potent CYP1B1 inducer 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). The CYP1B1 induction is suggested to be mediated by aryl hydrocarbon receptor (AHR). Low levels of CYP2D6 mRNA splice variants were expressed in the human ciliary epithelial cells and very low levels of timolol metabolites were detected in the human aqueous humor. It seems that negligible amount of CYP2D6 protein is expressed in the human ocular tissues. Timolol 0.1% eye gel leads to aqueous humor concentration high enough to achieve therapeutic effect. Inter-individual variation in concentrations is low and intraocular as well as systemic safety can be increased when using this product with lower timolol concentration instead of timolol 0.5% eye drops.

Glaukooma on ryhmä silmäsairauksia, jotka aiheuttavat silmän näköhermon vaurioita. Jos glaukoomaa ei diagnosoida ja hoideta ajoissa, se voi johtaa sokeutumiseen. Sairauteen liittyy usein kohonnut silmänpaine, joka on myös yksi merkittävimmistä glaukooman riskitekijöistä. Silmänpaineen alentamiseen on jo vuosikymmeniä käytetty silmään annosteltavia timololivalmisteita. Paikallisesti timololivalmisteet ovat hyvin siedettyjä. Osa silmään annostellusta tipasta imeytyy kuitenkin systeemiverenkiertoon, minkä seurauksena voi aiheutua mm. verenkierron ja hengityselimistön haittavaikutuksia. On raportoitu, että jopa 80 % silmään annostelusta tipasta imeytyy verenkiertoon. Tästä huolimatta on olemassa vain vähän tietoa timololin metaboliasta maksassa ja erityisesti silmässä.

Väitöskirjassa tutkittiin timololin aineenvaihduntaa eli metaboliaa ihmisen maksassa ja silmän kudoksissa. Lääkeaineita hajottavien sytokromi P450 (CYP) entsyymien ilmentymistä tutkittiin silmän sädekehän soluissa. Timololin metaboliaa maksassa ja yhteisvaikutuksia muiden lääkeaineiden kanssa selvitettiin laboratoriotutkimuksissa. Sen lisäksi koehenkilöillä tehdyssä tutkimuksessa selvitettiin timololin kulkeutumista kammionesteeseen kahden kaupallisen timololivalmisteen 0.1 % silmägeelin ja 0.5 % silmätippojen annostelun jälkeen ja tutkittiin timololin metaboliittien esiintymistä kammionesteessä.

Tutkimuksissa vahvistui tieto siitä, että timololi metaboloituu pääasiassa CYP2D6:n välityksellä. Tehokkaat kyseisen entsyymin estäjät kuten eräät masennuslääkkeet ja rytmihäiriölääke estivät timololin aineenvaihduntaa. Estovaikutuksella voi olla kliinistä merkitystä silmään annosteltavaa timololivalmistetta käyttävillä potilailla. Kammionestettä muodostavan sädekehän soluissa ilmentyi vain pieniä määriä tätä entsyymiä ja kammionesteessä oli sen mukaisesti hyvin alhaisia pitoisuuksia timololin metaboliitteja, joten näyttää siltä, että merkityksettömiä määriä aktiivista entsyymiä esiintyy ihmisen silmän kudoksissa. Sädekehän solulinjassa ilmentyi muita entsyymeitä (CYP1A1 ja CYP1B1) ja tämä ilmentyminen oli vahvistettavissa. Terapeuttisen vaikutuksen kannalta 0.1 % timololi silmägeelillä saavutetaan riittävän korkeat kammionestepitoisuudet ja lisäksi yksilöiden väliset erot imeytymisessä ovat pieniä. Pitoisuuksien pysyessä pieninä sekä paikallinen että systeeminen turvallisuus lisääntyy 0.1 % timololi silmägeelillä verrattuna 0.5 % timololi tippoihin.